Waiting
Login processing...

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

Engineering

Utslipps Spektroskopiske Boundary Layer Investigation under ablativ Material Testing i 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. august 2012, NASAs Mars Science Laboratory (MSL) oppdraget med hell landet en rover på Mars-overflaten. Dette rover inneholder allerede en automatisert prøveinnsamlingssystem for kjemi og mineralogi analyse. Ikke lenge etter, 12. november 2014 robot European Space Agency lander Philae oppnådd den første myk landing på en komet. Disse eksemplene viser at neste skritt vil være å identifisere, utvikle og kvalifisere nødvendige teknologier for å returnere Martian eller asteroide prøver trygt til Jorden. Foreløpig ablativ materialer er det eneste alternativet for Thermal Protection System (TPS) av slike prøveretur oppdrag, som beskytter romfartøy fra alvorlig oppvarming i hypervelocity oppføring. Kjemisk og fysisk nedbrytning av ablators omdanne varmeenergien til massetapet og nedgang, mens det gjenværende faste materiale som isolerer kjøretøyunderstellet 1,2. Med metodene presentert gjennom denne protokollen, vil viå bidra med nye eksperimentelle data til det pågående arbeidet for å bedre varmeskjoldet pålitelighet ved å redusere motiv usikkerhet og utvikle nye termo-kjemiske ablasjon modeller.

For å oppnå høy ytelse karakteristikk av ablativ Thermal Protection Material (TPM) ingeniører av planet prober og romfart gjøre bruk av et bredt spekter av kompositter 3,4. Tpms er vanligvis sammensatt av en stiv forløper og en fylling matrise, for å tjene som et pyrolysering, ablating, og isolerende materiale med lav vekt med rimelige mekaniske egenskaper. Aktuelle eksempler på en ny familie av porøse lette ablators for høyhastighets oppføring oppdrag, laget av en karbon fiber preform impregnert med fenolharpiks, er PICA (fenoliske impregnert karbon ablator) utviklet av NASA 5,6, og den europeiske ablator Asterm 7. I tillegg til de romorganisasjoner i samarbeid med næringsliv, flere forskningsgrupper startet på en akademisk level for å produsere og karakterisere nye lette ablators, se for eksempel referanser 2,8 - 12.

Under atmosfærisk oppføring, er en del av varmestrømmen kommer fra sjokk oppvarmet gass overføres inne i varmeskjoldet og jomfruelig materiale omdannes følgende to mekanismer: Pyrolyse gradvis karboniseres fenolharpiks i en lav tetthet, porøs røye, å miste rundt 50% av dens masse produsere pyrolysegasser ved fordamping. De pyrolysegasser transporteres ut av materialet ved diffusjon og trykkøkningen som følge av deres nedbrytning. De eksos inn i grensesjiktet, og gir en ytterligere barriere for varmeveksling ved å blåse og gjennomgår ytterligere kjemiske reaksjoner. Bruken av polymerer slik som fenol-harpikser for matrisen utnyttet deres endoterm nedbrytning natur, for derved å absorbere energi, og tjener som et bindemiddel for de andre komponentene. Den andre transformasjon fenomener ablasjon av trekullet lag, sammensatt av karbonisert harpiks, og de gjenværende karbonfibre. Dette er markedsført av heterogene kjemiske reaksjoner, faseendring og mekanisk erosjon, slik som avskalling, til sammen fører til nedgang av materialet.

Til tross tilgjengelige flight data på materialet ytelse under siste oppdrag, og innsats i materiale modellering 13,14, prediksjon av varmestrømmen til romfartøyet fortsatt et kritisk problem. Ground testing i plasmavindtunneler er i dag den eneste rimelige alternativet for kvalifisering av termisk beskyttelse materiale. I tillegg er nye flerskala materiale responsmodeller foreslått for å ta hensyn til den porøse mikrostruktur av den nye klasse av materialer 15,16. Disse modellene krever omfattende eksperimentelle data for deres utvikling og validering.

I bruk fasilitetene for materialkarakterisering er mest vanlig bue-oppvarmet 17 </ sup> - 20 eller induksjon kombinert 21,22 fakler, som gir høye gass entalpier med luft som testgass, ideelt for simulering av atmosfærisk reentry. Den subsonisk 1.2MW induktivt koblet plasma (ICP) fakkel av den Plasma anlegget på von Karman Institute (VKI) er i stand til å gjenskape miljøet aerothermodynamic av atmosfærisk innføring i stagnasjonspunkt grenselaget fra et testobjekt for et bredt område av trykk og varme belegg 23-25. Et omfattende numerisk ombygging prosedyren gir en detaljert karakterisering av grensesjiktet og ekstrapolering av bakketestdata på reelle re-entry flygeforhold basert på den lokale Heat Transfer Simulering (LHTS) konsept 26,27.

Vi presenterer en fremgangsmåte for materialkarakterisering på et porøst karbon-fiber forløper i en godt karakterisert plasmagass forhold som er representative for re-entry uren. Plasma freestream characterizasjon er ikke en del av denne protokollen, men kan finnes andre steder 28. En omfattende eksperimentelt oppsett av påtrengende og ikke-intrusive teknikker ble integrert for in-situ analyse av materialet utsettes for den varme plasmastrømmen. Resultatene av disse forsøk ble ablasjon allerede presentert og vidt diskutert i en annen referanse 28. Denne protokollen er ment å gi detaljert informasjon om de eksperimentelle teknikker, deres installasjon på anlegget, og prosedyrene for dataanalyse. Målgrupper i denne publikasjonen er mange: på den ene siden, denne boken er ment å gi en bedre innsikt i de eksperimentelle metoder og prosedyrer for å bedre forståelsen av anleggets egenskaper for materiale utviklere og ingeniører av termisk beskyttelse materialer. På den annen side er experimentalists fra laboratorier med tilsvarende anlegg for adressert data reproduksjon og sammenligning, og for å utvide databasen av ablative materiale som reaksjon på en bredere varme-flux og trykkområde.

Protocol

1. Facility Forberedelse

  1. Definer sonde og sample-holder oppdrag basert på tilgjengelighet og anlegg spesifikasjoner (3 probe holdere i dette arbeidet) for å oppnå beste utsiktene på prøven fra utenfor anlegget for optiske målinger under forsøket.
  2. Hvis en pyrolysering materiale blir brukt, plasserer prøven i et avkjølt miljø (T <200 ° C) før testen begynner å hindre tidlig nedbrytning og avgassing.
  3. Bruk tilgjengelige probe holdere for varmeflux målinger og trykkmålinger av plasmastrøm, detaljer om varmefluks og Pitot trykkmålinger i Plasma anlegget kan bli funnet i referanse 24.

2. Måleteknikk Setup

  1. Utslipps spektrometer oppsett og justering
    1. Identifisere ønsket spektrometer avhengig av testen målene og tilgjengelig apparat: Mulige oppsett består av flere små, men bred spectral gående spektrometre for punktmålinger, eller høy oppløsning spektrografer koblet til et 2D-CCD-matrise slik at for romlig oppløste målinger (for eksempel langs senterlinjen eller radien av den plasmastråle med testprøvene).
    2. Avhengig av valgt spektrometer konfigurasjon, bestemme forstørrelse som vil være nødvendig og velge riktig objektiv som beskrevet nedenfor:
      1. Observere tre steder innenfor 4 mm (forventet grensesjikttykkelse) foran testprøven ved spektrometre, derav, trinn på 2 mm. Dette resulterer i en forstørrelse på m = 3 for det optiske system på grunn av den minimale avstanden mellom hver av fibrene å være begrenset til 6 mm av fiberen kledning (4 mm til 12 mm, hvilket ga m = 3).
      2. Bestem nødvendig objektivets brennvidde ved forstørrelse og tynn linse ligning:
        m = s jeg / s o, med s jeg og s s o + 1 / s i = 1 / f, og f er brennvidden til linsen.
        Merk: I denne protokollen: s i = m x s o = 3 x 1000 mm = 3000 mm, noe som resulterer i f = 750 mm.
      3. Bruker speil hvis avstanden mellom objektivet og objektet er upraktisk stort (her 3000 mm).
    3. Fjern kappe av de optiske fibrene for å bringe dem så tett sammen som mulig, og å utforme en enkel monteringssystem. For eksempel bruke en enkel presspasning montering med fibrene liggende ved siden av hverandre.
    4. Juster det optiske systemet (bestående av linse, speil, optisk fiber slutter) ved hjelp av en vertikal og horisontal linje laser: Ta med alle komponenter til samme høyde (som prøven) og justere linsen vinkelrett på prøvens stagnasjon linje (region i front av prøven nese på aksen av prøven).
    5. Fokusere den optiske bane ved å anbringe linsen i en avstand s o fra prøven og den optiske fiberen ender på avstand s i fra linsen. Belyse prøven stagnasjonspunkt med en lampe og plassere fiberendene ved stedet for den beste fokusert bilde.
      Merk: Lage et bilde av en blyant stil Mercury kalibrering lampe plassert foran prøven kan hjelpe: koble en spektrometer til en optisk fiber og plassere den bevegelige fiber slutten der den sterkeste kvikksølvutslipp inntreffer.
    6. Når linse-fiber-systemet er innrettet, sende et laserpunkt ved fiberendene (spektrometer side) og observere den fokuserte lasers på prøvesiden med et hvitt papirark for å bekrefte riktig posisjon og fokusering foran prøven (før hver testkjøring).
    7. Forhindre utslipp bortsett fra at fra brennpunktet fra å komme inn den optiske fiber ender med enavsluttes den optiske bane med svart kartong. Crosscheck med en laserstråle som ikke lys bortsett fra at fokusert av linsen og reflekteres av speilene når fiberendene i det lukkede system. For å gjøre dette, kan du sende en laserstråle gjennom de optiske fibre (spektrometer side) og sjekk at ingen lys slippes ut av fiber enden er i stand til å nå linsen direkte.
  2. Høyhastighetskamera (HSC)
    1. Bruk en høyhastighetskamera for overflate observasjon hvis tilgjengelig for å tillate korte eksponeringstider for un-mettede bilder av den varme, ablating overflaten.
    2. Observer prøven med HSC vinkelrett på prøvens overflate. Bruk prøven - linsesystemet aksen for horisontal og vertikal justering av kameraoptikk. Sørge for at sentrum av synsfeltet for HSC faller sammen med midten av linsen og prøven stagnasjonspunkt.
    3. Synkron HSC og utslipps spektrometre med en Digital Delay Generator (DDG). Utløse HSC opptak med enenkelt spenningstopp fra den DDG og utløse hver spektrum opptak med den ønskede frekvens (2Hz) under forsøkene (seksjon 3).
  3. Radiometry
    1. Bruke en to-farge pyrometer for observasjon av overflatetemperaturen i kombinasjon med et kvartsvindu i testkammeret.
      Merk: Hvis det forventes svært høye mål temperaturer, over måleområdet for enheten, bør du vurdere å redusere measureable utstråling med et passende filter eller et vindu av lavere transmisjon.

3. Eksperimentell testing

  1. Ta bilder med et vanlig DSLR-kamera, måle dimensjoner (ved hjelp av et kaliber regel) og vekten av jomfru prøven før installasjon i testkammeret.
  2. Oppsett HSC programvare:
    1. Sett høy eksponeringstid (90 ms) for å justere og fokusere HSC før eksperimentet med prøven på plass og ta en pre-testbilde (post-trigger = 1).
    2. Endringeksponeringstid for eksperimentet (2-10 usekunder), og sette post-trigger til maksimum (til å lagre alle rammer), satt riktig innspillingshastighet (fps) for å dekke hele eksperimentet (her 30-90 sek på 100 fps).
    3. Sett første f-tall til f / 16.
  3. Sett DDG til ønsket repetisjon hastigheten som spektra skal registreres av spektrometre (her: 2 Hz). Den første triggerpuls vil starte HSC-oppkjøpet.
  4. Sett opp spektrometeret oppkjøpet programvare (integrasjonstiden τ exp: avhengig av utslippsintensiteten, her: 20-150 msek, tilpasse under forsøket hvis det er nødvendig, gjennomsnittlig = 1).
    1. Sørg for at det optiske systemet er fortsatt riktig plassert før eksperimentet med prøven på plass (se trinn 2.1.6).
    2. Ta bakgrunnsbilde S bg med hver spektrometer og lagre det.
    3. Endre trigger til "ekstern programvare", avhengig av programvaren (f.eks SpectraSuite) (annet options er: 'ekstern', og 'synkronisere ", med ulike formål).
    4. Lagre hvert spektrum når du mottar en triggerpuls.
  5. Installer en high definition (HD) kamera til enhver optisk tilgang hvis ønskelig.
  6. Plasser prøven i beskyttelsessystemet og vakuum testkammeret ved hjelp av en gruppe på tre roterende vane vakuumpumper og en røtter pumpe.
  7. Start plasma-anlegget og bringe den til ønsket testbetingelse i form av varmestrøm og trykk ved å justere den elektriske strøminngang og vakuumpumper. Bruk varmefluks sonden og pitot-sonden (trinn 1.3) til å observere de oppnådde betingelsene (1 MW / m 2 og 3 MW / m 2 ved 15 hPa og 200 hPa).
  8. Begynn innspilling av HD-kamera og pyrometre.
  9. Ta en gratis-stream spektrum med alle spektrometre tilgjengelig (for kalibrering sammenligning) senk integrasjonstiden for å unngå metning (fra 200 ms til 50 ms).
  10. Trigger HSC og spektrometre via DDG (se trinn 3.2 for oppsett) ved å trykke 'trig "og sette modus fra" ytre "til" interne ".
  11. Injiser testprøven inn i plasmastrømmen. Her blir en pneumatisk mekanisme som brukes til å injisere prøven.
  12. Juster integrering tidspunktet for spektrometre om nødvendig for å unngå metning (ideelt sett noen endring av konfigurasjon over skal nå unngås).
  13. Juster åpning av HSC dersom det er nødvendig for å hindre at sensor metning.
  14. Fjern prøven etter ønsket test tid (30 sek eller 90 sek) i prøven beskyttelsessystemet og slå plasma flow.
  15. Stopp DDG og spektrometer oppkjøp, lagre HSC bilder og stoppe pyrometer oppkjøpet.
    Merk: La pyrometer kjøre hvis et materiale med høy varmekapasitet testes for å overvåke kjøle-off fase (ikke nødvendig for CBCF preform).
  16. Send laser punkt gjennom optiske fiberender (spektrometer side) og observere laser fokus med HSC, lagrer dette bildet for å markere plasseringen av spektrometer.Gjenta dette trinnet for hver spektrometer / optisk fiber.
    OBS: Pass på at laser ikke er for sterk til å skade CCD rekke kameraet. En utlading Enheten er foretrukket. Alternativt kan et bilde av laseren peker på et papirark i front av den testede prøven skal tas.
  17. Plassere et sjakkbrett i posisjonen til testprøven og ta opp bildet med HSC for kalibrering.
  18. Fjern prøven (for eksempel ved hydraulisk utstøting), ta vekt, ta bilder, og lagre i prøven lagring for å beskytte den skjøre røye lag sammensatt av oksidert fibre (rør ikke frontal prøveoverflaten).

4. Spectrometer Kalibrering

  1. Spectral kalibrering
    1. Plasser en spektral kalibrering lampe i brennpunktet for objektivet (for eksempel en blyant stil Mercury lampe) for å bestemme kalibrering bølgelengde og full bredde halv maksimum (FWHM) av det optiske systemet, kan informasjon om disse trinnene bli funnet i bokstavture 29.
  2. intensitet kalibrering
    1. Utfør en intensitet kalibrering av hver optisk system bestående av lyset samlingen mekanisme (objektiv) og spektrometer effektivitet i W / (m 2 · sr · nm) mellom 350 nm og 900 nm. Gjør dette ved å plassere en wolfram-bånd lampe (OSRAM WI 17G) i fokus for hver samling optikk inne i testkammeret. Spill kalibrerings lampens spektrum S cal, exp og få kalibreringsfaktoren C etter:
      C = S cal, th / (S cal, exp - S bg, cal) x τ cal,
      med den teoretiske spektral respons på kalibrerings lampen (gitt av produsenten) S cal, th, det målte signalet på kalibrerings lampe S cal, exp, bakgrunnen S bg, cal, og integreringstiden under kalibreringen målingen τ cal </ Em>.

5. Behandling av data

  1. Surface resesjon rente og spektrometer sondering sted (er):
    1. Observer prøveinjeksjon og utstøting ganger på HSC videofil for riktig test tid estimering.
    2. Observere piksellokalisering av testprøven stagnasjonspunkt ved injeksjon fra HSC videofilen.
    3. Kalibrer HSC forstørrelse ved å eksportere bildet tatt i trinn 3.17 (for eksempel TIFF-format) og telle pikslene i måleområdet som strekker seg over flere sjakkbrett firkanter. Beregne korrelasjons piksler: mm (få en mer detaljert karakterisering av de indre og ytre kameraets parametere ved hjelp av kamerakalibrering verktøykasse i MATLAB hvis ønskelig).
    4. Eksportere bilde (r) tatt i trinn 3.16 (for eksempel TIFF-format) og finne pikslene i spektrometeret sondering sted (er) som lyse flekker på bildet, angir x- og y-posisjon.
    5. Export HSC bilder (f.eks Multitiff-fOrmat) og utføre kantdeteksjon (f.eks, ved hjelp av Matlab innbygget funksjon 'kant') for å definere den stagnasjonspunkt sted ved hvert tidstrinn i (x i og y i).
    6. Trekk fra posisjonen av overflaten (trinn 5.1.5) fra posisjonen til spektrometeret sentret sted (er) (trinn 5.1.4) for hvert tidstrinn for å oppnå deres avstander d (t) fra overflaten.
  2. Emisjonsspekter behandling (all etterbehandling kan for eksempel utføres innenfor Matlab).
    1. Eksportere alle registrerte spektrum filer (bølgelengde vs. intensitet) og kalibrere intensiteten responsen av hver innspilt spektrum av:
      S exp, cal = (S exp - S bg) / τ exp x C,
      med de eksperimentelt oppnådde spekteret S exp, bakgrunns fil S bg (trinn 3.4.2), den eksperimentelle integrasjonstiden64, exp og kalibreringsfaktoren C bestemt i trinn 4.2.1.
    2. Hvis flere spektrometre anvendes, vurdere gyldigheten av den kalibreringskoeffisienten C ved hjelp av de freestream spektra tatt under trinn 3.9. Plot kalibrert gratis-stream spektra sammen; deres respons skal være nesten identisk fordi spektrometer innsamlingsvolum i plasmastrømningen er svært nær hverandre.
    3. Åpne filen som inneholder bølgelengde vektor av den kalibrerte spektra (f.eks dobbeltklikker .mat filen i MATLAB) og identifisere rad indeksene som tilsvarer bølgelengder λ 1 = 370 nm og λ 2 = 390 nm (Alternativt kan du bruke "finne "-kommandoen i Matlab).
      Merk: For pyrolyse ablators fenol oppsto arter er også tilgjengelig, for eksempel C 2, CH, H, NH, OH.
    4. Integrer utslipp signal om interesse (her CN fiolett utslipp, 370-390 nm) mellom de to jegndices (X 1 og λ 2) fra trinn 5.2.3 for hvert tidstrinn (I X 1- λ 2 (t)).
    5. Plot med programvare for valg den spektralt integrerte utslipps (I X 1- λ 2 (t)) til hver spektrometer (trinn 5.2.4) som en funksjon av spektrometeret avstander fra overflaten (trinn 5.1.6) (figur 2) ( for eksempel, plot (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3), 'x')).
    6. For bedre tolkning av resultatene, utføre en eksakt tilpasning av data og plotte resultatene (f.eks ved hjelp av MATLAB er polyfit kommando:
      [P, ErrorEst] = polyfit (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3,9);
      [Passe, delta] = polyval (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); plot (d, fit))
      Merk: Avhengig av plassering og oppløsning av innspilt spektra, kan den eksiterte tilstander temperaturen molekyler bestemmes. Bruk en stråling simulasjon verktøy for å passe numerisk spektra til eksperimentell spektra av CN fiolett og C 2 swan systemer. Flere online verktøy inkluderer spektrale monteringsverktøy for å oppnå translasjonsforskning, roterende, vibrasjonen og elektroniske temperaturer 30.

6. Post-test Sample Inspeksjon

  1. Scanning elektronmikroskopi (SEM) for å studere karbonfibre og røye lag degradering
    Bemerk: På grunn av deres høye elektriske ledningsevne, er det nødvendig i tilfelle av fullstendig forkullede karbonprøvene ingen ytterligere behandling. Lading og forvrengning av bildene vil oppstå hvis jomfru fenolharpiks er til stede i prøven.
    1. Hvis det er mulig, plasserer hele prøven i vakuumkammeret i SEM-enheten for å undersøke trekullet lag unngå enhver ødeleggelse av overflaten.
      Merk: En detaljert beskrivelse av SEM og X-Ray Mikroanalyse brukes til komposittmaterialer er gitt i litteraturen 31 og ikke inkludert i denne protocol.
    2. Bruk en jomfru (ikke testet) materialprøve som referanse for å studere karbonfiber dimensjoner:
      1. Velg en enkelt, godt observerbar fiber med SEM-systemet.
      2. Anslå jomfru karbonfiber tykkelse og fiberlengden med verktøy levert av SEM systemprogramvaren i henhold til produsentens instruksjoner. For eksempel, søk på verktøylinjen for "Measurement" og velg "Ruler", og trykk deretter på start- og sluttpunktet for målet objekt (f.eks start- og sluttpunkt for en enkelt fiber).
        Merk: Dette frembringer et forbindelseslinjesegment og avstanden vises. Suksessivt gjennomføre denne operasjonen etter behov.
    3. Identifisere de fibernedbrytningsmekanismer på den testede prøve, for eksempel en nål form, antyder en oksygendiffusjon begrenset ablasjon regime 28, mens pitting av fibrene og lokale angrep kan skyldes en reaksjon kontrollert regime og / eller lokal aktive områder på grunn av urenheter i materialet.
    4. Skjær sprøtt materiale ved hjelp av en skalpell. Undersøke grundig nedbrytning og anslå dybden der fibrene blir tynnet ved å sammenligne tykkelsen på tyreoideaektomi fibre til jomfru fibertykkelse (trinn 6.1.2.2).
    5. Oppdage mulig sotdannelse og karbonavsetning på overflaten på pyrolysering ablators, kan dette bli forbedret hvis prøven ble testet i en oksygenfattig atmosfære (for eksempel nitrogen eller argon).
    6. Bruk energi-dispersiv røntgenanalyse (EDX) 31 sammen med SEM for å påvise og identifisere urenheter i materialet som kan føre til økt reaktivitet (f.eks, kalsium og kalium).

Representative Results

Den åpent tilgjengelige bulkmaterialet var et sterkt porøst karbonbundet karbon fiber preform (CBCF), som består av en kortfiberisolasjon som stammer fra rayon (cellulose fiber laget av renset cellulose). De hakkede, diskontinuerlige virgin karbonfibre er innbyrdes forbundet i en matriks produsert ved karbonisering av fenolharpiksen. Under denne prosessen fibrene bli orientert og mikrostruktur og egenskaper er anisotropisk. Materialet blir deretter vakuumbehandlet ved temperaturer over 2300 K for å sikre dens temperaturstabilitet og fravær av avgassing. Materialet ble maskinert i huset til halvkuleformet (HS) testprøver med radius 25 mm til 50 mm i lengde. Prøvene innledningsvis ha en densitet på ca. 180 kg / m 3 med en initial porøsitet på 90%.

Den VKI Plasma anlegget har blitt brukt i alle forsøkene for reproduksjon av aero-thermodynamic miljø av re-entry plasmastrømmer, noe som skaper en høy-entalpi, sterkt dissosiert subsonisk gass-strømmen. Gassen oppvarmes ved induksjon gjennom en spole, og skaper en høy renhet plasmastrømmen. En oversikt over testkammeret og et skjema av det eksperimentelle instrumentering for in-situ-målinger ablasjon kan finnes i fig. 1 (a) og 1 (b). Eksperimentelle testforhold og resultat som helhet, for eksempel i gjennomsnitt lavkonjunktur som oppnås fra HSC bildebehandling og massetap er oppført i tabell 1. Vi brukte en to-farge pyrometer, ansette en bred (0,75 til 1,1 mikrometer) og smal (0,95 til 1,1 mikrometer) spektral band for temperaturen bestemmelse på en Hz oppkjøpet rate (1,300-3,300 K). Ved hjelp av to smale bølgelengdebånd og under forutsetning av en emissivitet være uavhengig av bølgelengden, kan overflatetemperaturen anslås uten kunnskap om sin emissivitet. Den pyrometer ble påpekt og fokusert i stagnasjon området av srikelig gjennom en 1 cm tykk kvartsvindu, i en vinkel på 35 ° i forhold til den stagnasjon linje. Instrumentet ble kalibrert opp til 3300 K med en svart kropp kilde.

Overflaten nedgangen ble målt ved hjelp av HSC med en oppløsning på 0,2 mm. Det er åpenbart at bøylen regel inntrukne målingene resulterte generelt i større verdier enn de som er fremført av HSC avbildning, med en forskjell i total nedgang mellom de to metoder som strekker seg 0,45 til 0,9 mm. Den høyeste usikkerhet for denne målingen ble introdusert ved å komprimere sprø røye lag med bøylen regelen. Tilbakeslag priser i luft varierte mellom 44,6 og 58,4 mikrometer / sek. Det er videre klart at HSC bestemte resesjon priser i luften plasma ikke avvike mye, sannsynligvis på grunn av en diffusjon-kontrollerte ablasjon regime. I dette regime, er overflatetemperaturen høy nok til å forårsake fullstendig forbruk av tilgjengelig oksygen på overflaten, og consequently er ablasjon begrenset av diffusjon av oksygen gjennom grensesjiktet 32,33. Omvendt, i en oksidasjonsreaksjon kontrollert miljø, diffunderer oksygen raskere gjennom et grensesjikt enn det forbrukes ved ablasjon overflaten og øker med overflatetemperatur. Tilbakeslag priser av CBCF materiale i høy entalpi miljøer er også rapportert av MacDonald et al. (56 mikrometer / sek) 22 og Löhle et al. (50 mikrometer / sek) 34. Disse verdier ligger mellom våre målinger, selv om MacDonald et al. brukes en sylindrisk testprøve form og Löhle et al., en testprøve innebygd i en vannavkjølt probe.

Tre med lav oppløsning spektrometre ble anvendt for observasjon av gassfasen. Fordelen med dette instrumentet er en rask scanning av et bredt spektralt område (200 - 1 000 nm) som gjør det mulig for påvisning av multiple molekyler og atomer, til stede i ablation analyse.

Integrert CN utslippsintensitet, plottet over avstand fra ablating overflaten viser svært god avtale med hensyn til hverandre (fig. 2). Dataene er merket i henhold til sine respektive posisjoner fra prøveoverflaten med 'nær', 'midten', og 'langt'. De tre spektrometre måles på samme CN fiolett utslippsintensiteten når den fast optisk bane samlet lys fra den samme avstand foran overflaten. De integrerte intensiteter av alle tre spektrometre nesten sammenfallende 3.4 mm før ablating overflaten. Begge tilfeller viser at de registrerte CN fiolett utslipps topp like foran testprøven, før avtagende gjennom grensesjiktet. Fra disse resultatene vi utlede at materialet avbrenning i luft under hele testtiden var meget stabil, og at de registrerte utslipps signal falt ca. 90% i løpet av 5 mm frontal av overflaten. CN fioletteksperimentelle spektra ble deretter anvendt for sammenligning med simulerte spektra for å oppnå gasstemperaturer. De syntetiske spektra ble oppnådd ved bruk av SPECAIR 2,2, forutsatt at en Boltzmann-fordeling av eksiterte nivåer og av en minste kvadraters tilpasningsprosedyre ble anvendt for å anslå translasjonelle-rotasjons temperaturer T råte og vibrasjons-elektroniske temperaturer T VIB (fig. 3). To betingelser, ved lav (a) og høy (b) trykk er presentert, med spektrene tatt nær veggen i grensesjiktet. De estimerte temperaturer ga en høy avvik fra termisk likevekt ved lavt trykk (fig. 3 (a)). Den samme analysen ble utført for flere avstander fra overflaten, en bedre illustrasjon av avvik fra termisk likevekt nær veggen ved lavt trykk (fig. 4 (a), 15 hPa), ekvilibrering gjennom grensesjiktet. De hentet temperaturene var i størrelsesorden 8200 K for T rot og 21 000 K for T vib nær veggen, med T vib avtagende mot 8200 K gjennom grensesjiktet. Dette er i motsetning til den likevektstilstand i hele grenselaget ved høyere trykk (fig. 4 (b), 200 hPa). Temperatur grensene var basert på en usikkerhet på 10% på spektrometeret utslippsintensiteten, slik at en teoretisk spektrum variasjon innenfor disse grensene for montering prosedyre.

Ved lavt trykk, er eksitasjon transport molekyler redusert på grunn av færre kollisjoner, noe som kan forklare den ekvilibrerende virkning mot grensesjiktet kant. Vi antar en sterk innflytelse på molekylært nitrogen ved lave plasma entalpier på CN produksjon, etterfulgt av vibrasjons eksitasjon av CN. Dissosiativ adsorpsjon av sterkt vibrasjonsmessig spent nitrogen er antatt å skape reaktive steder på overflaten som fører til produksjon CN. Boubertog Vervisch beskrive denne prosess i en nitrogen / karbondioksid plasma ved lavt trykk 35. Denne prosessen kan skape en pool av nitrogenatomer på overflaten, med eksoterme reaksjoner som fører til overskytende energi som omdannes til rotasjons og vibrasjons eksitasjon av CN.

Mikrografier viste at karbon oksydasjon i luft plasma ført til en istapp formen av tyreoideaektomi fibrene med et oksidasjons dybde på omkring 0,2 mm (Fig. 5 (a)). Denne typen istapp forme grunn ablasjon er viden rapportert i litteraturen for karbon-karbon komposittmaterialer 36 - 38. Den istapper form (åpningsvinkel) avhenger av reaksjons-diffusjon konkurranse på overflaten av det porøse materiale, og dermed varierer med oksygendiffusjon. Denne lengde antas å tilsvare den gjennomsnittlige dybde av oksygendiffusjon. Den istapp form bekrefter i tillegg diffusjon-kontrollerte ablasjon. I motsetning til dette reaksjonsbegrenset ablasjon ville tillate oksygen å flyte inn i de dypere fiberstrukturen, produsere lokal gropdannelse av karbonfibre.

Bright sparking ble observert under noen ablasjon tester (Fig. 5 (b)), som kan være forårsaket av varme fiber klynger løsne fra overflaten. Ablasjon i nitrogen plasma ført til svært nedbrutte fibre langs overflaten, noe som førte til en langsom nedgang av materialet ved nitridering (Fig. 5 (c)). Da reaktiviteten av karbon til nitrogen er mye lavere enn den til oksygen, nitrogen er i stand til å diffundere dypere inn i materialet, noe som fører til degradering langs hele fiberen.

Figur 1
Figur 1. Plasma og eksperimentelt oppsett oversikt. (A) VKI Plasmatestkammer oversikt som viser prøven utenfor than oppbevaring system, varme fluks og trykk prober og optiske tilganger for radiometers, HSC og spektrometer optikk. (B) Skjematisk av eksperimentelle oppsettet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tabell1
Tabell 1. Plasmatestbetingelser og eksperimentelle resultatene av karbon preform prøver. Test saken referanse, test gass, statisk trykk p s, dynamisk press p d, generator kraft P, mener kalde veggen varmefluks q cw, prøven eksponeringstid τ, mener overflatetemperatur T s, resesjon rente r / τ, og massetap sats m / τ.


Figur 2. Romlig CN fiolett utslipp i grensesjiktet Utslipps profiler registrert av tre tilstøtende spektrometre under preform ablasjon i luft er sammenfallende godt når de faste optiske baner skulle samle lys fra den samme avstand i front av ablating overflate. Stabilt materiale avbrenning, og reaktiv grensesjiktet størrelse ~ 5 mm frontal av overflaten (tilstand A1a). klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. CN fiolett temperaturer estimert fra spektral passende metode. Minste kvadraters metode for beste tilpassing av CN fiolett spektra beregnet med SPECAIR 2.2 gitt translasjonell-rotasjons og vibrasjons-elektronisk tempetemperaturer som T råte og T VIB: (a) Tilstand A1a: T råte = 8240 K ± 400 K, T vib = 21600 K ± 1700 K, T LTE = 12600 K ± 500 K (likevekt simulering T LTE indikert for sammenligning); (B) Tilstand A1a: T råte = 6880 K ± 200 K, T vib = 7120 K ± 180 K. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. CN fiolett temperaturprofiler i grenselaget. Translasjonell-rotasjons og vibrasjons-elektronisk temperaturer T råte og T vib fra simulert, utstyrt CN fiolett spektraberegnet med en strålingssimuleringsverktøy i fire avstander fra ablating overflaten antyder avvik fra en termisk likevektstilstand nær veggen ved et lavt trykk på 15 hPa (a), men foreliggende likevekt i hele grenselaget ved 200 hPa (b). Temperatur grenser [K] var basert på en usikkerhet på 10% på spektrometeret utslippsintensiteten, slik at en teoretisk spektrum variasjon innenfor disse grensene for montering prosedyren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Scanning elektronmikroskopibilder etter luft ablasjon (a), inklusive in-situ fotografi (b) og mikrografer etter nitrogen ablasjon (c). (A) Post luft ablasjon mikrobilder tattfrontflate i nærheten av stagnasjonspunkt liggende fortynning av karbonfibre på grunn av oksidasjon fra fiberenden, som fører til istapp form, dybden av oksygendiffusjon er nær 200 mikrometer (diffusjon begrenset ablasjon); (B) Fotografi tatt under ablasjon test av en sylindrisk prøven (eksponeringstid: 1/200 sek) illustrerer lyse gnister; (C) Sterk korrosjon ble observert i nitrogen langs hele fiberlengden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Denne protokollen beskriver fremgangsmåter for materialkarakterisering av omsetning av termiske beskyttelsesmaterialer i høy entalpi strømmer og viser eksempler på resultater som er oppnådd på en ikke-pyrolysering, ablating karbonbundet karbon-fiber (CBCF) forløper. Den CBCF materialet er svært lik den stive forløper for low-density karbon-fenoliske ablators som PICA og Asterm, som er den ultimate mål for de presenterte teknikker. De viktigste fordelene med CBCF materialet er den lave prisen og åpen tilgjengelighet, siden det ikke er begrenset til eksportlisenser. Det ble valgt for presentasjon av forfatternes tilnærming som andre forskningsinstitusjoner lett kan få tak i rå CBCF materiale. Med denne publikasjonen, forfatterne for seg definisjonen av en relativt grei standard prosedyre, tilrettelegging for sammenligning med andre laboratorier.

Kjerne teknikker er en ikke-påtrengende metode for å spore materialet lavkonjunktur og sondering av than kjemi i den reaktive grensesjiktet av emisjonsspektroskopi. Påføring av høyhastighets bildebehandling er en grei teknikk, men forsiktighet må tas med justering av kamerasystemet og forventet overflaten utstråling. En kort eksponering tid i størrelsesorden noen få mikrosekunder bidrar til å unngå metning av kamerasensoren.

Noen fotogrammetriske teknikker for ablator nedgangen er rapportert i litteraturen, for eksempel ved Löhle et al., 34. De er overlegne i forhold til vår teknikk på grunn avbildning av hele ablator overflate ved høyere oppløsning. Forfatterne angir en oppløsning på 21 um, som er nesten en størrelsesorden høyere enn den til den teknikk som presenteres i vårt arbeid. Men installasjon av foto oppsett, kalibrering, og etter behandlingen er tidkrevende (forfatterne rapportere en dag / test), og to optiske porter er nødvendig hvis to uavhengige kameraer må brukes. Test kampanjer som krever en høy numbra stikkprøver gjør dette programmet svært kostbare. Teknikken som presenteres i denne protokollen er enkelt å sette opp og etterbehandling kan gjøres med eksisterende numeriske verktøy. Vår teknikk nådde målet formål å følge overflaten nedgangen in situ. Nøyaktigheten av vår teknikken kan økes ytterligere med en høyere oppløsning kamera eller høyere brennvidden av det optiske system. Men hvis materialet analyse krever høy romlig oppløsning av overflatedetaljer, foreslår vi ansettelse av fotogram teknikker.

Man må tas med justering og kalibrering av det optiske system for optisk emisjonsspektroskopi (OES). Denne teknikken er begrenset til line-of-sight målinger og den sonderende er begrenset til elektronisk eksiterte atomer og molekyler. Men dens enkelhet og høy avkastning styrer fortsatt over mer kompliserte teknikker som for eksempel laser-indusert fluorescens (LIF) spektroskopi, som ervanskelig å utføre nær overflaten under ablasjon analyse. Selv LIF spektroskopi har med hell blitt brukt til etterforskningen av bakken statlige artsbestander i plasma freestream 39,40, LIF målinger i grensesjiktet er relativt sjeldne. Målinger av SiO foran en varm SiC prøven rapporteres av Feigl 41, men har ikke blitt utført ennå for ablating overflater. Den avtagende overflate ablator forbyr lange måletider i grensesjiktet. Bortsett fra dette er LIF systemer svært dyre på grunn av det høye antallet bestemte komponenter.

Den romlige og tidsmessige utviklingen av ablasjon produkter er av interesse for denne publikasjonen, som kan relativt enkelt utføres ved emisjonsspektroskopi. Tre lav oppløsning, bred rekkevidde spektrometre servert til å oppdage flere atomer og molekyler tilstede under ablasjon testing. Den optiske benk diagnostiske besto av en lys samlelinse, to speils, og en optisk fiber for hver av de tre spektrometre. Det var viktig for den optiske oppsett som ikke lys, bortsett fra at fokusert av linsen, nådde de optiske fibre.

Hvis en pyrolysering materiale blir undersøkt, er mange hydrokarboner støtes ut fra stoffet, som er allestedsnærværende i forbrennings flammer, slik som for eksempel hydrogen (Balmer serie, H α og H β), C 2 (Swan-system), CH, OH, NH 42. Disse kan oppdages med dette oppsettet. Flere forskergrupper nylig søker emisjonsspektroskopi for å analysere den reaktive grenselaget dannet rundt ablativ varmeskjold materialer 19,22,43,44. MacDonald et al. 22 prefabrikerte ablasjon tester i en induktivt koplet plasma. Oppsettet besto av et tilsvarende lav-oppløsning spektrometer med en spektral oppløsning på 1,16 nm, noe som er lavere enn den oppløsning gitt av spektrometeret brukt som grunnlag for oppsett. Deres første test prøven form var en sylinder, opplever sterk kant ablasjon, som vist ved den økende overflatetemperatur under testen. Derfor er grensesjiktet termokjemisk tilstand sannsynligvis endret i løpet av forsøket, som kompliserer en tidsgjennomsnitts-analyse. Den halvkuleformede prøven brukes for vår analyse ikke opplever kanten ablasjon og opprettholdt sin form i løpet av 30-90 sek testtid 45.

Hermann et al. 44 gi første resultatene om stråling-ablasjon kobling i en magnetoplasmadynamic arcjet anlegget som gjelder emisjonsspektroskopi. Dette er av stor interesse for det vitenskapelige samfunnet som det ikke har vært mye etterforskning i langvarige bakketestfasiliteter på dette emnet. Dessverre er det ikke tidsmessig forhold av utslipp i fronten av pyrolysering materiale rapportert. Deres spektra i området 300-800 nm ble slått sammen til et fullt spekter under etterbehandling fra bølgelengde segmenter 120 nm, ved changing sentrum bølgelengde av den brukte spektrograf. Derfor flere spektrene ble tatt over tid for å dekke hele spektralområdet. Hvis ablative materiale, CBCF preform og Asterm i sin sak, opplevde en sterk tidsmessig atferd forårsaket av både forbigående pyrolyse gass utstøting og overflate ablasjon, kan dette forfalske timelig gjennomsnitt spekteret.

En fordel ved den spektrograf presentert i vårt arbeid er således det brede spektralområde (200-900 nm) sammenlignet med sliss spektrografer, noe som vanligvis resulterer i en maksimal rekkevidde på 120 nm ved lavest oppløsning. Det brede spektralområde observeres med en enkelt anskaffelse tillater observasjon av ulike arter i grensesjiktet, som følge av de ablasjon og pyrolyseprosesser, som for eksempel hydrogeninneholdende arter (OH, NH, CH, H), karbon bidragsytere (C, CN, C 2), og forurensninger (Na, Ca, K). Men hvis bare en enkelt art overgang er av interesse, kan en høy oppløsning slit-spektrograf være Applert, noe som ytterligere gjør det mulig for skanning av den fulle radiale utslipps profilen som ble utført ved Hermann et al. 44

Anvendelser av de eksperimentelle data er, for eksempel, validering av kombinert CFD og materialsvarkoder. En stagnasjon-linjekode med ablative grensebetingelsen er nylig blitt utviklet ved VKI for reproduksjon av strømningsfeltet langs den stag-linje av sfæriske legemer i VKI Plasma 46. En foreløpig sammenligning av den eksperimentelle grensesjiktet utslipp med simulerte profiler ble presentert andre steder 45.

Mikroskala-analyse av prøver som ble testet var en indikasjon på forskjellige nedbrytningsfenomener av karbonfibrene i luft og nitrogen plasma. Den observerte istapp morfologi tyreoideaektomi fibre videre støttet antagelsen av diffusjon-kontrollerte ablasjon, som ble foreslått av de nesten identiske lavkonjunktur priser på lavt trykk (15 hPa). Videre absence av indre oksydasjon materiale argumenterer mot innstrømning eller spredning av varme grenselags gasser inn i den porøse prøven. En slik indre oksydasjon, som studerte numerisk ved Weng et al., For Pica 47, kan føre til en svakere fiberstruktur, forårsaker mekanisk svikt av materialet, for eksempel i form av avskalling 48,49. Derfor foreslår vi sterkt en generell mikroanalyse sammen med høy-entalpi testing av porøse karbon-kompositt materialer for varmeskjold applikasjoner. Det endelige målet med en mikroanalyse vil være identifisering av karbonfiber iboende reaktivitet. Romlig oppløste bilder kunne forhånd slik analyse, for eksempel ved mikro tomografi som utføres av Sandra et al., 50. En materiale ble utviklet ved VKI ved hjelp av diskontinuerlige Galerkins diskretisering å simulere den komplekse inngående termiske respons av ablative komposittmaterialer 51 svis kode gjør bruk av den nye thorough fysikalsk-kjemisk bibliotek Mutasjon ++, gir de termiske og transportegenskapene til gassblandinger, herunder beregning av både begrenset rente gass-fase kjemi og homogene / heterogene gass / gass-faststoff likevekt kjemi 52. Vi ser for sammenligning av de eksperimentelle data til materialet svarkoden, som er i stand til å representere mikro tilstand av det porøse medium.

Acknowledgments

Forskningen av B. Helber er støttet av et fellesskap av Direktoratet for innovasjon av vitenskap og teknologi (IWT, Dossier # 111529) i Flandern, og forskning av TE Magin av European Research Council Starting Grant # 259354. Vi erkjenner Mr. P. Collin for hans verdifulle hjelp som Plasma operatør. Vi erkjenner takknemlig George Law and Stephen Ellacott for å gi testmaterialet og for informativ støtte.

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 Aerospace engineering Thermophysics ablasjon komposittmaterialer emisjonsspektroskopi faseovergang høy temperatur egenskaper kjemi mikroanalyse optisk diagnostikk
Utslipps Spektroskopiske Boundary Layer Investigation under ablativ Material Testing i 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