Waiting
Login processing...

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

Engineering

Plazmatronun ablatif Malzeme Test sırasında Emisyon Spektroskopik Sınır Tabaka İncelenmesi

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

Ağustos 2012 tarihinden 6, NASA'nın Mars Bilim Laboratuarı (MSL) görevin başarıyla Mars yüzeyinde bir gezici indi. Bu gezici zaten kimya ve mineraloji analizi için otomatik numune alma sistemi içerir. kısa bir süre sonra, 12 Kasım 2014 tarihinde, robotik Avrupa Uzay Ajansı Lander Philae bir kuyruklu yıldıza ilk yumuşak iniş elde değil. Bu örnekler bir sonraki adımlar Dünya'ya güvenli bir şekilde Mars veya asteroit örnekleri iade için gerekli teknolojiler, tespit geliştirmek ve hak olacağını göstermektedir. Şu anda, ablatif malzemeler hypervelocity girişi sırasında şiddetli ısınmadan uzay kalkanlar gibi örnek dönüş misyonlar Termal Koruma Sistemi (TPS), için tek seçenek vardır. Geri kalan katı madde, araç altyapı 1,2 yalıtır iken Kimya ve ablators fiziksel ayrışma, kütle kaybı ve durgunluk içine termal enerji dönüşümü. yöntemler bu protokol boyunca sunulan, biz istiyoruztasarım belirsizlikleri azaltmak ve yeni termo-kimyasal ablasyon modelleri geliştirerek ısı kalkanı güvenilirliği artırmak devam eden çabaları yeni deneysel verilerle katkıda bulunmak.

Gezegen sondaları ve uzay araçlarının ablatif Termal Koruma Malzemesi (TPM) mühendislerin yüksek performans özellikleri elde etmek için kompozit 3,4 geniş bir yelpazede faydalanmak. TPM'ler genel ablasyon ve uygun mekanik özelliklere sahip, düşük ağırlık, yalıtım malzemesinden, bir piroliz olarak hizmet etmek üzere, katı bir ön ve bir doldurma matris oluşur. Fenolik reçine emdirilmiş karbon fiber bir preform yapılmış yüksek hızda giriş misyonlar, gözenekli hafif ablators yeni bir ailenin güncel örnekler NASA tarafından geliştirilen 5,6 PICA (fenolik emdirilmiş karbon ablator) ve Avrupa ablator Asterm 7 vardır. sanayi ile işbirliği içinde uzay ajanslarına ek olarak, çeşitli araştırma grupları akademik lev başladıEl üretimi ve yeni hafif ablators karakterize, örneğin 2,8 başvuruyor görmek için - 12.

Atmosferik girişi sırasında darbe ısıtıldı gaz gelen ısı akışının bir kısmı ısı kalkanı içine aktarılır ve yeni ürün iki mekanizma şu transforme edilir: Piroliz kademeli yaklaşık% 50 kaybederek düşük yoğunluklu gözenekli char fenolik reçine carbonizes buharlaşma yoluyla piroliz gazları üreten kütlesi. piroliz gazları difüzyon ve ayrışma neden olduğu basınç artışı ile maddenin üzerinden taşınır. Onlar üfleme ve ek kimyasal reaksiyonlar geçmesi ile ısı alışverişi için bir başka engel sağlayarak, sınır tabakası içine egzoz. Bu tür matris için fenolik reçineler gibi polimerlerin kullanımı, böylece enerji emici ve diğer bileşenler için bir bağlayıcı olarak işlev gören, bunların bir endotermik bozunma doğası yararlanır. İkinci dönüşüm fenomenikarbonize reçine ve geri kalan C-liflerinin oluşan karakter tabakasının ablasyonu vardır. Bu tamamen malzemenin durgunluk neden böyle ufalanmanın olarak heterojen kimyasal reaksiyonlar, faz değişimi ve mekanik erozyon, tarafından teşvik edilmektedir.

Malzeme modelleme 13,14 mevcut uçuş geçmiş görevleri sırasında maddi performans verileri ve çabalarına rağmen, uzay aracı ısı akışı tahmini kritik bir sorun olmaya devam etmektedir. Plazma rüzgar tünellerinin zemin testleri şu anda termal koruma malzemesi yeterlilik için tek uygun bir seçenektir. Ayrıca, yeni çoklu ölçekli malzeme yanıt modelleri dikkate malzemelerin 15,16 yeni sınıfın gözenekli mikro yapı almak için önerilmektedir. Bu modeller gelişim ve doğrulama için kapsamlı deneysel veri gerektirir.

Malzeme karakterizasyonu için kullanım tesisleri en yaygın yay ısınan <17 olan/ sup> - 20 veya indüksiyon atmosferik iniş simülasyonu için ideal deney gazı olarak hava ile yüksek gaz entalpilerini sağlamak 21,22 meşaleler, birleştiğinde. Endüktif Plazma (ICP) Coupled subsonik 1.2MW von Karman Enstitüsü (VKI) de Plazmatronun tesisin meşale basınçlarının geniş bir aralığı için bir test nesnenin durgunluk nokta sınır tabakasında atmosferik giriş Aerotermodinamik ortamını çoğaltmak mümkün ve 25 - ısı 23 akıları. Kapsamlı bir sayısal yeniden inşa prosedürü sınır tabakası ve Yerel Isı Transferi Simülasyon dayalı gerçek re-entry uçuş koşullarına zemin test verilerinin ekstrapolasyon detaylı karakterizasyonu (LHTS) kavramı 26,27 sunmaktadır.

Biz yeniden giriş uçuş iyi karakterize plazma gaz ortamı temsilcisi gözenekli bir karbon-fiber öncüsü malzeme karakterizasyonu için bir prosedür mevcut. Plazma freestream characterizayon bu protokolün bir parçası değil ama başka bir yerde 28 bulunabilir. Müdahaleci ve müdahaleci olmayan teknikler kapsamlı bir deney düzeneği sıcak plazma akışına maruz malzemenin in situ analizi için entegre edilmiştir. Bu ablasyon deneylerin sonuçları zaten sunulmuş ve yaygın bir referans 28 tartışıldı. Bu protokol ayrıntılı deneysel teknikler hakkında bilgi, tesiste kendi kurulum ve veri analizi için prosedürleri sağlamak içindir. Bu yayının hedef kitleleri çok çeşitlidir: bir yandan, bu yayın malzeme kodu geliştiricileri ve termal koruma malzemeleri mühendisler için tesisin özelliklerinin anlaşılmasını geliştirmek için deneysel yöntemler ve prosedürler daha iyi bir fikir sağlamak içindir. Öte yandan, benzer tesislerle laboratuvarların experimentalists veri üreme ve karşılaştırma için ele ve ablat veritabanı genişletmek içinDaha geniş bir ısı akışı ve basınç aralığına malzeme yanıtını ive.

Protocol

1. Tesis Hazırlık

  1. Deney sırasında optik ölçümler için tesis dışından test numunesi en iyi görüşlerini almak için kullanılabilirlik ve tesis özellikleri (bu çalışmada 3 sonda sahipleri) dayalı prob ve numune tutucu atama tanımlayın.
  2. Bir sıcaklık tesiriyle malzeme kullanılırsa, (T <200 ° C) önce, erken bozulma ve gaz çıkışının önlenmesi için başlangıç ​​test etmek için, soğutulmuş bir ortamda test örneği yerleştirin.
  3. Isı akışı ölçümleri ve plazma akımının basınç ölçümleri, Plazmatronun tesisinde ısı akısı ve Pitot basınç ölçümleri hakkında ayrıntılar referans 24 bulunabilir için kullanılabilir prob sahipleri kullanın.

2. Ölçme Tekniği Kur

  1. Emisyon Spektrometre kurulumu ve hizalama
    1. Test hedefleri ve mevcut aparat bağlı istenen spektrometre belirleyin: Olası kurulumları birkaç küçük, ancak geniş SPE oluşur(Merkez veya test örneklerinin önünde plazma jetinin yarıçap boyunca örneğin) uzamsal çözülmesi ölçümler için izin veren bir 2D CCD diziye bağlı nokta ölçümleri veya yüksek çözünürlüklü spektrografların için ctral menzilli spektrometre.
    2. seçilen spektrometre yapılandırmasına bağlı olarak, gerekli olacak büyütme belirlemek ve aşağıda özetlenen uygun lensi seçmek:
      1. , Spektrometre tarafından dolayısıyla, 2 mm'lik artışlarla test örneği önünde 4 mm (beklenen sınır tabaka kalınlığı) içinde üç yerleri gözlemleyin. Bunun nedeni, bir elyaf kaplaması 6 mm (4 ila 12 mm'dir üzerine mm elde m = 3) ile sınırlı olan liflerin her biri arasında az bir mesafe optik sistemi m = 3 olduğu bir büyütme ile sonuçlanır.
      2. büyütme ve ince mercek denklemi tarafından gerekli lens odak uzunluğunu belirlemek:
        m = s ı / s o s i ve s flüor 1 / S'den + 1 / s i = 1 / f.
        Not: Bu protokol: s i = m x s o = 3 x 1.000 mm = 3.000 mm, K = 750 mm ile sonuçlanır.
      3. lens ve nesne arasındaki mesafe (burada 3.000 mm) mümkün olamayacak kadar büyük olup olmadığını ayna kullanın.
    3. uygun bir montaj sistemi olarak birbirine yakın mümkün olduğunca onları getirmek ve tasarlamak amacıyla optik fiberlerin mantolama çıkarın. Örneğin, lifler yan yana uzanan basit bir presle montaj kullanımı.
    4. dikey ve yatay çizgi lazer kullanarak (lens, ayna, fiber optik biter oluşan) optik sistem align: fron numunenin durgunluk çizgisine dik lensi (test örneği gibi) aynı yükseklikte tüm bileşenleri getirin ve hizalama (bölgenumune ekseni üzerinde numunenin burun) t.
    5. Test örneği ve fiber optik arasındaki mesafe s o Merceği yerleştirerek optik yolu Odak merceğinden s i sona erer. Bir lamba ile örnek durgunluk noktası aydınlatın ve lif iyi odaklanmış görüntünün yerde biter yerleştirin.
      Not: güçlü civa emisyonu meydana geldiği hareketli fiber uç bir fiber optik bir spektrometre bağlamak ve yerleştirin: yardımcı olabilecek test örneği önüne yerleştirilmiş bir kalem tarzı Merkür kalibrasyon lambanın görüntü oluşturma.
    6. lens fiber sistemi bir kere ayarlandıktan sonra, (önceki doğru konumunu ve test numunesinin önünde odaklama teyit etmek için lif uçları (spektrometre tarafı) içinden bir lazer noktası göndermek ve beyaz bir kağıt tabakası ile Örnek tarafında odaklanmış lazer gözlemlemek her test run).
    7. fiber optik girmesini odak noktasından dışında herhangi bir emisyon önlemek tr bitersiyah karton optik yolu kapatılıyor. Bu aynalarla mercek tarafından odaklanmış ve yansıyan dışında hiçbir ışık fiber kapalı sistem içinde biter ulaştığı bir lazer ışını ile karşılaştırmak. Bunu yapmak için, optik fiber aracılığıyla lazer ışını (spektrometre tarafı) göndermek ve fiber sonuna kadar yayılan ışık doğrudan objektife ulaşmak mümkün olup olmadığını kontrol edin.
  2. Yüksek Hız Kamerası (HSC)
    1. Sıcak, ablasyon yüzeyin un-doymuş görüntüler için kısa pozlama süreleri için izin varsa yüzey gözlem için yüksek hızlı bir kamera kullanın.
    2. dik numune yüzeyine HSC ile test örneği dikkate alınmalıdır. kameranın optik yatay ve dikey hizalama için lens sistemi ekseni - örnek kullanın. HSC görüş alanının merkezi lens merkezi ve örnek durgunluk noktası ile çakışmaktadır emin olun.
    3. Dijital Gecikme Generator (DDG) ile HSC ve emisyon spektrometreleri eşitleyin. HSC bir ile kayıt TriggerDDG gelen tek gerilim tepe ve deneyler (Bölüm 3) sırasında istenilen frekansta (2 Hz) her spektrum kayıt tetikler.
  3. Radyometri
    1. Test odasının bir kuvars pencere ile birlikte yüzey sıcaklığının gözlem için bir iki renkli pirometreyi kullanın.
      Not: Çok yüksek bir hedef sıcaklıkları bekleniyorsa, cihazın ölçüm aralığını aşan, alt geçirgenliği uygun bir filtre veya pencere ile ölçülebilir ışıltı azalan düşünün.

3. Deneysel Test

  1. Test odasına yükleme öncesinde ve bakire test numunesinin ağırlığını (bir kalibre kuralını kullanarak) boyutlarını ölçmek, geleneksel DSLR fotoğraf makinesi ile fotoğraf çekmek.
  2. Kurulum HSC yazılımı:
    1. hizalayın ve yerine test örneği ile deney HSC önce odak ve bir ön-test görüntüsünü (post-tetik = 1) almak için yüksek pozlama süresini (90 msn) olarak ayarlayın.
    2. DeğişiklikDeneyin (2-10 mikro-sn) ve maksimum (tüm çerçeveleri saklamak için) ayarlanmış sonrası tetik için maruz kalma süresi, set doğru kayıt hızı (fps) tam deneyi (100 fps'de burada 30-90 sn) kapsayacak.
    3. f / 16 başlangıç ​​f-sayısını ayarlayın.
  3. (: 2 Hz burada) spektrumları spektrometre ile tespit edilir hangi istenen tekrarlama oranı DDG ayarlayın. İlk tetik darbe HSC satın başlayacak.
  4. Spektrometre toplama yazılımı kurmak (entegrasyon süresi τ exp: emisyon yoğunluğuna bağlı olarak, burada: 20-150 msn, gerekirse = 1 ortalama, deney sırasında uyum).
    1. optik sistem hala önceki yerinde numune ile deney doğru konumlandırılmış emin olun (adım 2.1.6 bakınız).
    2. Her spektrometre ile arka plan görüntüsü S bg alın ve kaydedin.
    3. Yazılım üzerinde (örneğin, SpectraSuite) (diğer Opti bağlı 'harici yazılım' için tetiği değiştirmek"Dış", ve benzeri), farklı amaçlarla, 'senkronize': eklentiler bulunmaktadır.
    4. bir tetikleyici darbe alırken, her spektrum kaydedin.
  5. istenirse herhangi bir optik erişim bir yüksek tanımlı (HD) kamerayı takın.
  6. koruma sistemi test örneği yerleştirin ve üç döner kanatlı vakum pompaları bir grup ve kökleri pompa kullanarak test odasına vakum.
  7. plazma tesisi başlatın ve elektrik güç girişi ve vakum pompaları ayarlayarak ısı akısı ve basınç açısından istenilen test durumuna getirmek. Isı akışı prob ve pitot probu (adım 1.3) elde edilen koşulları gözlemlemek (1 MW / m 2 ve 3 MW / 15 hPa ve 200 hPa m 2) kullanın.
  8. HD kamera ve pirometrelerinin kaydını başlatın.
  9. doygunluk (200 milisaniye ila 50 msn'den) önlemek için daha sonra alt entegrasyon süresi (kalibrasyon karşılaştırma için) mevcut olan tüm spektrometre ile serbest akışlı spektrumunu alır.
  10. DDG aracılığıyla Tetik HSC ve spektrometreler ('Trig' ve 'iç' ile 'dış' dan ayar modu basarak kurulum için adım 3.2) bkz.
  11. Plazma akışına test örneği enjekte edilir. Burada, pnömatik bir mekanizma örneği enjekte etmek için kullanılır.
  12. doygunluk önlemek için gerekirse spektrometre entegrasyon süresini ayarlayın (ideal, kurulum yapılandırma herhangi bir değişiklik artık kaçınılmalıdır).
  13. Sensör doygunluğunu önlemek için gerekirse HSC diyafram ayarlayın.
  14. Numune koruma sistemine istenen test süresi (30 sn veya 90 sn) sonra test örneği çıkarın ve plazma akışını kapattı.
  15. , DDG ve spektrometre edinimi durdurmak HSC görüntüleri kaydetmek ve pirometre edinme durdurun.
    Not: Yüksek termal kapasiteye sahip bir malzeme serin-off aşamasını izlemek için test ise (CBCF preform için gerekli değildir) çalıştıran pirometreyi bırakın.
  16. spektrometre konumunu işaretlemek için bu görüntüyü kaydetmek, fiber optik uçları (spektrometre tarafı) aracılığıyla lazer noktasını gönder ve HSC ile lazer odak gözlemleyin.Her spektrometre / fiber optik ile bu adımı yineleyin.
    DİKKAT: Emin lazer olun kameranın CCD dizisi zarar çok güçlü değildir. Bir boşaltma cihazı tercih edilir. Seçenek olarak ise, deney numunesinin önünde bir kağıt tabaka lazer işaret eden bir görüntü alınabilir.
  17. kalibrasyon için HSC ile test numunesi ve kayıt görüntü konumunda bir satranç tahtası yerleştirin.
  18. , Kilo almak, (hidrolik fırlatma ile, örneğin,) test örneği çıkarın fotoğraf çekmek ve oksitlenmiş liflerin (frontal numune yüzeyine dokunmayın) oluşan kırılgan karakter tabakasını korumak için numune depolama saklayın.

4. Spektrometre Kalibrasyon

  1. spektral kalibrasyon
    1. Dalgaboyu kalibrasyonu ve optik sistemin tam genişlikte buçuk maksimum (FWHM) belirlemek için objektif (örneğin, bir kalem tarzı Merkür lamba) odak noktasında bir spektral kalibrasyon lamba koyun, bu adımlar hakkında ayrıntılı bilgi bulunabilir litera içinde29 Ture.
  2. yoğunluk kalibrasyonu
    1. 350 nm ve 900 nm arasında W / (m2 · SR · nm) ışık toplama mekanizması (objektif) ve spektrometre verimliliği oluşan her bir optik sistemin bir yoğunluk ayarı yapın. Test odasının içine her toplama optik odak tungsten şerit lamba (OSRAM WI 17G) koyarak bunu yapın. Exp, kalibrasyon lambanın spektrum S cal kaydedin ve kalibrasyon faktörü C edinin:
      C = S cal / th (S cal, exp - S bg, cal) x τ cal,
      Kalibrasyon lamba teorik spektral tepki ile S cal, inci, kalibrasyon lamba S cal ölçülen sinyal, exp, kalibrasyon ölçüm sırasında arka plan S bg, cal, ve entegrasyon süresi τ cal <(üretici tarafından sağlanan)/ Em>.

5. Veri İşleme

  1. Yüzey durgunluk hızı ve spektrometre sondalama yer (ler):
    1. Doğru test süresi tahmini için HSC video dosyası örnek enjeksiyonu ve fırlatma sürelerini dikkate alın.
    2. HSC video dosyası enjeksiyon test numunesi durgunluk noktasının piksel konumunu gözlemleyin.
    3. (Formatında .tiff, örneğin) aşama 3.17 alınan ihracat görüntü ve çoklu satranç tahtası kareler kapsayan ölçüm bölgedeki pikselleri sayarak HSC büyütme kalibre edin. korelasyon piksel hesaplayınız: mm (istenirse MATLAB kamera kalibrasyonu araç kutusunu kullanarak içsel ve dışsal kamera parametrelerinin daha ayrıntılı bir karakterizasyonu elde).
    4. (Formatında .tiff, örneğin) aşama 3.16 alınan resim (ler) ihracat ve görüntü üzerinde parlak noktalar gösteren x ve y konumu gibi spektrometre sondalama konuma (ler) piksel bulabilirsiniz.
    5. İhracat HSC görüntüleri (örn Multitiff-fOrmat) ve kenar algılama gerçekleştirmek (örneğin, her zaman adımında i (x i ve y i) en durgunluk noktası konumunu tanımlamak için Matlab yap-işlev 'kenar') kullanılarak.
    6. Yüzeyinden uzaklıkları d (t) elde etmek için her zaman adım için spektrometre tarama yer (ler) (aşama 5.1.4) pozisyonundan yüzeyi (aşama 5.1.5) konumunu çıkarın.
  2. Emisyon spektrumları işleme (tüm post-processing örneğin Matlab içinde yapılabilir).
    1. Kaydedilen her spektrum yoğunluğu yanıtını kayıtlı tüm spektrum dosyalarını (yoğunluk vs dalga boyu) İhracat ve kalibre:
      S exp = cal (S exp - S bg) / τ exp x C,
      Deneysel olarak elde edilen spektrum S exp, arka plan dosya S bg (adım 3.4.2), deneysel entegrasyon süresi ile64; exp ve C adım 4.2.1 sırasında tespit edilen kalibrasyon faktörü.
    2. Birkaç spektrometresi kullanılması halinde, adım 3.9 sırasında alınan freestream spektrumları kullanılarak kalibrasyon katsayısı C geçerliliğini değerlendirmek. hep birlikte kalibre serbest akım spektrumları çizilir; plazma akışı spektrometre toplama hacimleri birbirine çok yakın olduğu için verdikleri yanıtlara neredeyse aynı olmalıdır.
    3. Kalibre spektrumlarının dalgaboyu vektörü içeren dosyayı açın (örneğin, MATLAB .mat dosyasını çift tıklatın) ve l 1 = 370 nm ve λ 2 = 390 nm dalga boylarında gelen satır endeksleri tespit (alternatif "bulmak kullanın Matlab "komutu).
      Not: ablators fenol tesiriyle için türler gibi C 2 gibi de mevcuttur kökenli, CH, H, NH, OH.
    4. İki i arasında çıkar emisyon sinyalini (burada CN mor emisyon, 370-390 nm) entegrendices (λ 1 ve λ 2) her adım için 5.2.3 (ki 1- λ 2 (t l)).
    5. Seçim yazılımı ile Konu spektral entegre emisyon (I l 1-λ 2 (T)) yüzeyi (aşama 5.1.6) gelen spektrometresi mesafelerin bir fonksiyonu olarak her bir spektrometre (aşama 5.2.4) (Şekil 2) ( Örneğin, arsa (D (: 1: 3), I (: 1: 3), 'X')).
    6. Sonuçların daha iyi yorumlanması için, bir veri polinom uyum gerçekleştirmek ve sonuçları arsa (örneğin, MATLAB polyfit komutunu kullanarak:
      [S, ErrorEst] = polyfit (D (: 1: 3), I (: 1: 3,9);
      [Uygun delta] = POLYVAL (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); arsa (d, fit))
      Not: konumu ve kaydedilen spektrumları çözünürlüğüne bağlı olarak, moleküllerin uyarılmış durumlar sıcaklık tespit edilebilir. bir radyasyon Simul kullanıntirme aracı deneysel CN menekşe spektrumları ve C 2 kuğu sistemlerine sayısal spektrumları sığdırmak için. Çeşitli çevrimiçi araçlar translasyonel, dönme titreşim elde etmek için spektral uydurma araçları ve elektronik sıcaklıkları 30 arasındadır.

6. Post-Test Örnek İnceleme

  1. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), karbon lifleri ve kömür tabakası bozulmasını incelemek için
    Not: yüksek elektrik iletkenliği nedeniyle, daha fazla arıtma tamamen yanmış C örnekleri için gereklidir. Şarj ve bakire fenolik reçine test örneği içinde varsa görüntülerin bozulma meydana gelecektir.
    1. Eğer mümkünse, yüzeyin herhangi bir yıkıma kaçınarak karakter katmanı incelemek için SEM cihazının vakum odasında tam test örneği yerleştirin.
      Not: SEM ve Röntgen Mikroanaliz ayrıntılı bir açıklaması, literatürde 31 verilmiştir kompozit malzemelere uygulanan ve p dahilrotocol.
    2. karbon fiber boyutlarını incelemek için referans olarak bakire (test değil) Malzeme örneği kullanın:
      1. SEM sistemi ile tek, iyi gözlenebilir lif seçin.
      2. üreticinin talimatlarına göre SEM sistem yazılımı tarafından sağlanan araçlarla bakire karbon fiber kalınlığı ve lif uzunluğunu tahmin edin. Örneğin, "Ölçüm" için araç çubuğundaki arama ve "Cetvel" i seçin, ardından hedef nesnenin başlangıç ​​ve bitiş noktalarını dokunun (örneğin, tek bir fiber başlangıç ​​ve bitiş noktaları).
        Not: Bu bir bağlantı çizgi segmenti üreten ve mesafe görüntülenir. Arda gerektiği gibi bu işlemi gerçekleştiriyoruz.
    3. Elyaf ve yerel saldırıların delik olabilir, oysa bağlı bir reaksiyon kontrol rejimi ve / veya yerel Acti bir oksijen difüzyon ile sınırlı ablasyon rejimi 28 göstermektedir, örneğin, test edilen numune üzerinde, bir iğne şeklini elyaf parçalanma mekanizmaları tespitmalzemenin kirlilikler nedeniyle siteleri ettik.
    4. Bir neşter kullanılarak kırılgan malzeme kesti. derinlemesine bozulmasını araştırmak ve lifler bakire lif kalınlığı (adım 6.1.2.2) ile ablasyon liflerin kalınlığı karşılaştırarak inceltilerek edildiği derinliğini tahmin ediyoruz.
    5. Örnek bir oksijen bakımından fakir bir atmosfer (örneğin, nitrojen ya da argon) test edildi halinde piroliz ablators yüzeye mümkün kurum oluşumunu ve karbon birikmesinin bulgulanması, bu arttırılabilir.
    6. Kullanım enerji dispersif X-ışını analizi (EDX) SEM ile birlikte 31 algılamak ve reaktivitesinin artırıldığı (örneğin, kalsiyum ve potasyum) yol açabilir malzemenin yabancı maddelerin tespit etmek.

Representative Results

açıkça mevcut dökme malzemenin rayondan kaynaklanan kısa elyaf izolasyon (saflaştırılmış selüloz yapılmış selüloz elyaf) 'den oluşan, yüksek ölçüde gözenekli karbon-bağlı karbon elyaf ön-parçanın (CBCF) idi. doğranmış, kesikli saf karbon lifleri fenolik reçinenin kömürleşme tarafından üretilen bir matris içinde birbirine bağlanmıştır. Bu işlem sırasında lifler odaklı olmak ve mikro ve özellikleri anizotropik vardır. 2300 K sıcaklığı istikrar ve gaz çıkması olmamasını sağlamak için yukarıdaki madde daha sonra sıcaklıklarda vakum-tedavi edilir. Malzeme uzunluğu 50 mm yarıçapı 25 mm hemisferik (HS) testi örnekleri in-house işlenmiş oldu. Örnekler% 90 bir başlangıç ​​gözenekli yaklaşık 180 kg / m3 arasında bir yoğunluğa sahiptir.

VKI Plazmatronun tesisi aero-Therm yeniden üretimi için bütün deneylerde kullanılmıştıryüksek entalpisi oluşturarak yeniden giriş plazma akımlarının odynamic çevre, son derece sesaltı gaz akışını ayrışmış. Gaz yüksek saflıkta bir plazma akış oluşturmak üzere, bir bobin üzerinden endüksiyon ile ısıtılır. Test odası ve in-situ ablasyon ölçümleri için deneysel enstrümantasyon şematik bir bakış Şekil bulunabilir. 1. (a) ve 1 (b). Böyle HSC görüntüleme ve kütle kaybı elde edilen ortalama durgunluk oranı gibi deneysel test koşulları ve genel sonuçlar, Tablo 1'de verilmiştir. Biz (0,75-1,1 mikron) geniş ve dar (0,95-1,1 mikron) kullanılarak, iki renkli pirometreyi kullanılan 1 Hz alım hızı (1,300-3,300 K) sıcaklık belirlenmesi için spektral bant. iki dar dalga boyu bantları kullanarak ve dalga boyu bağımsız olma bir emissivite varsayımı altında, yüzey sıcaklığı kendi yayma bilgisi olmadan tahmin edilebilir. pirometre sivri ve s durgunluk alanında durulduDurgunluk hattına göre 35 ° 'lik bir açı ile bir 1 cm kalınlığında kuvars camdan geniş. Cihaz siyah cisim kaynağı ile 3300 K kadar kalibre edilmiştir.

Yüzey durgunluk 0.2 mm çözünürlüğe sahip HSC ölçüldü. Çap pergeli kuralı durgunluk ölçümlerin, 0.45 ile 0.9 mm arasında değişen, iki yöntem arasındaki toplam durgunluk farkıyla HSC görüntüleme tarafından gerçekleştirilen daha büyük değerler de açıktır. Bu ölçüm için yüksek belirsizlik kumpas kuralı ile kırılgan karakter tabakası sıkıştırarak tarafından tanıtıldı. Havada Resesyon oranları 44,6 ve 58,4 mm / sn arasında değişmektedir. Hava plazmada HSC belirlenmiş durgunluk oranları muhtemelen bir difüzyon kontrollü ablasyon rejimine çok farklı olmadığını ayrıca açıktır. Bu rejimde, yüzey sıcaklık tam yüzeyinde mevcut oksijen tüketimi ve conseq neden olacak kadar yüksektir, akıcı ablasyon sınır tabakasının 32,33 oksijenin difüzyon ile sınırlıdır. Tersine, bir oksidasyon reaksiyonu kontrollü bir ortamda, oksijen yüzey sıcaklığı ile yüzey ve ablasyon artar tüketilen daha sınır tabakası sayesinde hızlı yayılır. Yüksek entalpi ortamlarda CBCF malzemenin Durgunluk oranları da MacDonald ve ark edilmiştir. Ve arkadaşları, (56 mm / sn) 22 ve Löhle. (50 mm / sn) 34. Bu değerler MacDonald ve ark rağmen, bizim ölçümler arasında yalan. silindirik test numunesi şekil ve Löhle ve ark kullanılır., su ile soğutulan prob gömülü bir test örneği.

Üç düşük çözünürlüklü spektrometreleri gaz fazının gözlem kullanılmıştır. ablat mevcut çoklu molekül ve atomların tespiti için izin verir - (1,000 nm 200), bu aletin avantajı geniş bir spektral aralıkta bir hızlı tarama olduğunuiyon analizi.

Entegre CN emisyon yoğunlukları birbirine (Şekil. 2) göre ablasyon yüzey göstermek çok iyi bir uyum mesafe üzerinden çizilen. veri, 'yakın' 'orta' ve 'uzak' ile numune yüzeyinden kendi konumlarına göre etiketlenir. Üç spektrometre yüzeyin önünde aynı mesafeden sabit optik yol toplanan ışık kez aynı CN mor emisyon yoğunluğu ölçülür. Her üç spektrometre entegre yoğunlukları neredeyse ablasyon yüzeyi önce 3.4 mm denk. Her iki olgu kaydedildi CN menekşe emisyon sınır tabakası sayesinde azalan önce, sadece test örneğinin önünde zirve olduğunu göstermektedir. Bu sonuçlara göre biz bütün test süresi boyunca havada maddi yanık-off çok kararlı olduğunu anlamak ve kaydedilen emisyon sinyal yüzeyinin 5 mm frontal içinde yaklaşık% 90 düştü. CN menekşeDeneysel spektrumlan daha sonra gazı sıcaklıkları elde etmek için simüle spektrumları ile karşılaştırma yapmak için kullanılmıştır. Sentetik spektrumları heyecan seviyelerinin Boltzmann dağılımı varsayılarak SPECAIR 2.2 kullanılarak elde edilmiştir ve en küçük kareler uydurma prosedürüyle translasyonel-dönme sıcaklıklarını T çürüme ve titreşim elektronik sıcaklık T VIB (Şek. 3) tahmin etmek için uygulanmıştır. İki durum, düşük, (a) ve yüksek (B) basıncı sınır tabakasının duvar yakınındaki alınan spektrumu ile sunulmuştur. Tahmini sıcaklıklar düşük basınçta termal denge yüksek bir sapma vermiştir (Şek. 3 (a)). Aynı analiz daha düşük bir basınçta, duvara yakın termal dengeye sapma gösteren, yüzeyinden çok mesafeler için gerçekleştirilmiştir (Şek. 4 (a), 15 hPa), sınır tabakası içinden dengeleme. Alınan sıcaklıklar T r 8200 K sırayla vardıSınır tabaka ile 8200 K doğru azalan T VIB ot ve duvara vib yakın T 21.000 K,. Bu, daha yüksek basınç altında (Şek. 4 (b), 200 hPa) sınır tabakası boyunca dengeli duruma zıttır. Sıcaklık sınırları uydurma prosedür için bu sınırlar içinde teorik spektrum varyasyon sağlayan, spektrometre emisyon yoğunluğuna% 10 belirsizliğe dayalı idi.

Düşük basınçta, moleküller arasındaki uyarma transferi nedeniyle sınır tabaka kenarına doğru equilibrating etkisini açıklayabilir az çarpışmalar, indirgenir. Biz CN titreşim uyarılması ve ardından CN üretimi düşük plazma entalpileri, moleküler azot güçlü bir etkiye varsayıyorum. Çok vibrationally heyecanlı azot dissosiyatif adsorpsiyon CN üretimine yol yüzeyinde reaktif siteleri oluşturmak için kabul edilir. Boubertve Vervisch düşük basınçta 35 azot / karbon dioksit plazmada bu süreci tanımlamak. enerji fazlasına gelen ekzotermik reaksiyonlar CN rotasyonel ve titreşim eksitasyon çevrilerek olan bu işlem, bir yüzey azot atomu bir havuz oluşturabilir.

Mikrograflar hava plazmasında C-oksidasyonu yaklaşık 0.2 mm bir oksidasyon derinliği ablasyon liflerinin saçağı şekline yol olduğu kanıtlanmıştır (Şek. 5 (a)). 38 - nedeniyle ablasyon saçağı şekillendirme Bu tür yaygın karbon-karbon kompozit malzemelerinin 36 literatürde bildirilmiştir. saçağı şekli (açısı) gözenekli malzemenin yüzeyinde reaksiyona difüzyon rekabet bağlıdır, ve bu nedenle, oksijen difüzyon ile değişir. Bu uzunluk, oksijen difüzyon ortalama derinliği uygun olduğu varsayılır. saçağı şekli ayrıca difüzyon kontrollü ablasyon onaylar. Buna, reaksiyonSınırlı ablasyon karbon liflerin yerel çukurlaşmayı üreten, oksijen derin lif yapısına float izin verecek.

Parlak kıvılcım yüzeyinden ayrılmakta sıcak elyaf kümeleri neden olabileceği bazı ablasyon testleri (Şek. 5 (b)), gözlenmedi. Azot, plazmada Ablasyon (Şek. 5 (c)) nitrürleme Malzemenin yavaş durgunluk yol yüzeyleri üzerinde yüksek bozulmuş elyafları yol açtı. nitrojene karbon tepkime oksijen çok daha düşük olduğu için, azot bütün fiber boyunca bozulmasına sebep malzeme içine daha derine nüfuz edebilir.

Şekil 1
Şekil 1. Plazmatronun ve deney düzeneği genel bakış. (A) VKI Plazmatronun test odası genel t dışında test örneği gösterenO tutma sistemi, ısı akışı ve basınç probları ve ölçerlerden, HSC ve spektrometre optik optik kere. (B) şematik deney düzeneği. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Tablo 1
Tablo 1. Plazmatronun test koşulları ve karbon preform örneklerinin deneysel sonuçlar. Test durumda referans test gazı, statik basınç p s, dinamik basınç p d jeneratör gücü P, soğuk duvar ısı akısı q cw, test numunesi maruz kalma zaman sabitleri ortalama demek yüzey sıcaklığı T s, durgunluk oranı r / τ ve kütle kaybı oranı m / τ.


Sınır tabaka Şekil 2. Mekansal CN menekşe emisyon sabit optik yolları ablasyonu yüzeyinin önünde aynı mesafeden ışık toplama zaman iyi denk havada preform ablasyon sırasında üç komşu spektrometre tarafından kaydedilen Emisyon profilleri:. Stabil malzeme yanık-off, ve yüzeye (koşul A1a) reaktif sınır tabaka boyutu ~ 5 mm frontal. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Spektral uydurma yöntemiyle tahmin Şekil 3. CN menekşe sıcaklıkları. öteleme-dönme ve titreşim-elektronik tempe sağlanan SPECAIR 2.2 ile hesaplanan CN menekşe spektrumları en iyi montaj için en küçük kareler yöntemitemiyle T çürüme ve T VIB: (a) Durum A1a T rot = 8.240 K ± 400 K, T VIB = 21,600 K ± 1.700 K, 12,600 K ± 500 K (denge simülasyon T LTE karşılaştırma için gösterilir) = T LTE; (B) Durum A1a: T rot = 6880 K ± 200 K, T VIB = 7120 K ± 180 K. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Sınır tabaka Şekil 4. CN menekşe sıcaklık profilleri. Simüle gelen vib Translational-dönme ve titreşim-elektronik sıcaklık T çürüklüğü ve T, CN menekşe spektrumları donatılmış200 hPa (b) en sınır tabakası boyunca 15 hPa (a) düşük basınçta duvara termal denge koşulu yakın ancak mevcut dengeden sapma ablasyon yüzeyinden dört mesafelerde bir radyasyon simülasyon aracı ile önermek bilgisayarlı. Sıcaklık sınırları [K] montaj işlemi için bu sınırlar içinde teorik spektrum varyasyon izin spektrometre emisyon yoğunluğuna% 10 belirsizlik dayanmaktadır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Şekil 5. Taramalı Elektron Mikrograflan hava ablasyon (a), azot ablasyonu (c) sonra in-situ fotoğrafı (b) ve mikrograflar dahil. (A) Post hava-ablasyon mikrograflar alınan sonraön yüzey yakınında, oksijen difüzyon derinliği yakın saçağı şekline yol fiber ucu oksidasyon karbon fiberlerin noktası, bu incelme durgunluk 200 um (difüzyon sınırlı ablasyonu); (B) Fotoğraf silindirik bir test örneğinin ablasyon testi sırasında alınan (pozlama süresi: 1/200 sn) parlak kıvılcım göstermektedir; (C) Güçlü korozyon bütün lif uzunluğu boyunca azot gözlendi. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

Bu protokol yüksek entalpi akışlarındaki termik koruma malzemeleri reaksiyona malzeme karakterizasyonu için prosedürleri açıklar ve karbon-bağlı karbon fiber (CBCF) öncülü kesip, olmayan bir tesiriyle elde örnek sonuçlarını göstermektedir. CBCF malzemesi sunulan teknikleri nihai hedefler PICA ve Asterm düşük yoğunluklu karbon fenolik ablators, bükülmez ön çok benzer. denetim lisansları vermek için sınırlı değildir çünkü CBCF malzemenin ana avantajları, düşük fiyat ve açık kullanılabilirlik vardır. Bu diğer araştırma kurumları kolayca ham CBCF malzeme elde gibi yazarların yaklaşımının sunumu için seçildi. Bu yayının ile yazarlar diğer laboratuvarlar ile karşılaştırma kolaylaştıran, nispeten basit standart prosedüre tanımını öngörmektedir.

Çekirdek teknikleri müdahaleci olmayan bir malzeme durgunluk izlemek için yöntem ve t sondalama olanemisyon spektroskopisi ile reaktif sınır tabakası o kimya. yüksek hızlı görüntüleme uygulaması basit bir tekniktir ancak bakım kamera sistemi uyum ve beklenen yüzey parlaklığı ile alınmalıdır. birkaç mikrosaniye sırasına göre kısa bir pozlama süresi kamera sensörünün doygunluk önlemeye yardımcı olur.

Ablator durgunluk için birkaç fotogrametrik teknikler Löhle ve ark., 34, örneğin, literatürde rapor edilmiştir. Onlar yüzünden yüksek çözünürlükte bütün ablator yüzeyinin görüntüleme bizim tekniğine üstündür. Yazarlar çalışmalarımız sunulan tekniğe göre daha yüksek büyüklükte neredeyse bir sırasıdır 21 mikron çözünürlük, devlet. Ancak, fotogrametrik kurulum, kalibrasyon, ve post-processing kurulum zaman alıcı (yazarlar 1 gün / test raporu), ve iki bağımsız kamera kullanılacak varsa iki optik portlar gereklidir. yüksek n gerektiren test kampanyalarıtest numunelerinin umber bu uygulama çok pahalı olun. Bu protokol sunulan teknik kolayca ayarlanır ve post-processing mevcut sayısal araçları ile yapılabilir. Bizim teknik yerinde yüzey durgunluk aşağıdaki hedef hedefini bir araya geldi. Bizim tekniğin hassasiyeti daha optik sistemin daha yüksek bir kamera çözünürlüğü ya da daha yüksek bir odak uzunluğuna sahip arttırılabilir. Malzeme analizi yüzey ayrıntıları yüksek uzaysal çözünürlük gerektirir Ancak, biz fotogrametrik teknikler istihdam düşündürmektedir.

Bakım optik emisyon spektroskopisi (OES) için optik sistemin uyum ve kalibrasyon ile alınmalıdır. Bu teknik line-of-görme ölçümlerine sınırlıdır ve sondalama elektronik olarak uyarılmış atomların ve moleküllerin kısıtlıdır. Ama sadeliği ve yatırım yüksek getiri hala bu tür bir örnek lazer kaynaklı floresan (LIF) spektroskopi, gibi daha ayrıntılı teknikler üzerinde yönetirZor ablasyon analizi sırasında yüzeye yakın yürütmek için. LIF spektroskopisi başarıyla plazma freestream 39,40 zemin devlet türlerin popülasyonlarının araştırılması uygulanan olmasına rağmen, sınır tabakasındaki LIF ölçümleri oldukça nadirdir. Sıcak SiC numune önünde SiO ölçümleri Feigl 41 tarafından rapor edilir, ancak yüzeyleri ablasyonu için henüz yapılmamıştır. ablator her zamankinden daha uzak yüzey sınır tabakası uzun ölçüm süreleri yasaklamaktadır. Bunun dışında nedeniyle belirli bileşenleri yüksek sayıda çok pahalı LIF sistemleridir.

Ablasyon ürünleri, mekansal ve zamansal gelişimi nispeten basit emisyon spektroskopi ile gerçekleştirilebilir, bu yayın için ilgi çekmektedir. Üç düşük çözünürlüklü, geniş ürün yelpazesi spektrometre birden atomları ve ablasyon test sırasında mevcut molekülleri tespit etmek için görev yaptı. Optik tanı tezgah hafif toplama lens oluşuyordu, iki aynas ve üç spektrometre her biri için bir optik elyaf. Bu objektif tarafından odaklanmış dışında hiçbir ışık, optik fiberler ulaştı optik kurulum için önemliydi.

Bir tesiriyle malzeme çalışılan ediliyorsa, çok sayıda hidrokarbonlar örneğin Hidrojen (Balmer serisi, H a ve H p) için, yanma alevler içinde her yerde olan malzeme ile atılır, C 2 (Kuğu sistemi), CH, OH, NH 42. Bunlar, bu kurulum ile tespit edilebilir. Çeşitli araştırma grupları yakın çevresinde ablatif ısı kalkanı malzemeleri 19,22,43,44 oluşturan reaktif sınır tabakasını analiz etmek emisyon spektroskopi uygulamaktayız. MacDonald ve ark., ICP 22, önceden oluşturulmuş ablasyon testleri. Kurulum eden kurulumu için kullanılan spektrometre sağladığı çözünürlüğü daha düşük olan 1.16 nm, bir spektral çözünürlüğe sahip benzer bir düşük çözünürlüklü spektrometresi oluşuyordu. Onların ilk tesTest sırasında yükselen yüzey sıcaklığı ile gösterildiği gibi t örnek şekil, güçlü kenar ablasyonu yaşıyor, bir silindir oldu. Bu nedenle, sınır tabakası termokimyasal durum muhtemelen zaman ortalamalı analiz zorlaştıran, deney sırasında değişti. Bizim analizi için kullanılan yarım küre test örneği kenar ablasyon deneyim ve 30 sırasında şeklini muhafaza etmedi - 90 sn test süresini 45.

Hermann ve ark. 44 emisyon spektroskopi uygulayan bir magnetoplasmadynamic arcjet tesisinde radyasyon ablasyon bağlantı ilk sonuçlar verir. Bu konuyla ilgili uzun süreli zemin test tesisleri çok araştırma olmamıştır olarak bu bilimsel topluluk için yüksek ilgi görmektedir. Ne yazık ki, piroliz malzemenin önünde emisyon hiçbir zamansal davranışı bildirilmiştir. cha tarafından, 120 nm dalga boyu segmentlerinden post-processing sırasında tam spektrum birleştirilmiş edildi nm aralığında 300-800 Onların spektrumlarıkullanılan spektografıyla merkez dalga boyu donanımının değiştirilmesi. Bu nedenle, çok sayıda spektrumları, tam spektrum aralığı kapsayacak şekilde zaman içinde alınmıştır. ablatif malzeme, kendi halinde CBCF preform ve Asterm, hem geçici piroliz gazı çıkarma ve yüzey ablasyonu neden güçlü bir zamansal bir davranış deneyimli, bu geçici ortalama spektrumunu tahrifat olabilir.

Çalışmalarımızda sunulan spektrografla bir avantajı dolayısıyla genellikle düşük çözünürlükte 120 nm maksimum aralık neden olan, spektrograf yarık göre geniş spektral aralığı (200-900 nm) 'dir. tek bir devir ile gözlenen geniş bir spektral aralık, hidrojen ihtiva eden türler (OH, NH, CH, lH), C-katkıda (C, CN, C ablasyon ve piroliz işlemleri, elde edilen, sınır tabakası içinde çeşitli türlerin gözlem sağlar 2) ve kirletici maddeler (Na, Ca, K). sadece tek bir tür geçiş ilgi Ancak, eğer, bir yüksek çözünürlüklü yarık-spektrograf appl olabilirayrıca Hermann ve diğerleri tarafından gerçekleştirilmiştir olarak tam radyal emisyon profili tarama sağlar ied. 44

Deneysel verilerin Uygulamaları Örneğin, birleştiğinde CFD ve malzeme yanıt kodları doğrulama için vardır. Ablatif sınır koşulu ile bir durgunluk hat kodu geçenlerde VKI Plasmatron 46 küresel cisimlerin durgunluk-hattı boyunca akış alanının üreme VKI de geliştirilmiştir. Simüle profilleri ile deneysel sınır tabakası emisyonu bir ön karşılaştırma başka yerde 45 sunuldu.

Test edilen örneklerin mikro analizi, hava ve azot, plazmada karbon fiberlerin farklı bozunma fenomeni göstergesiydi. Alçak basınç (15 hPa) neredeyse özdeş durgunluk oranları önerdiği gibi ablasyon liflerin gözlenen buz saçağı morfolojisi ayrıca, difüzyon kontrollü ablasyon varsayımı destekledi. Bundan başka, abseİç malzeme oksidasyon nce gözenekli test numunesinin içine girişi veya sıcak sınır tabakası gazların difüzyon karşı savunuyor. Bu tür iç oksidasyonu, Weng sayısal olarak incelenmiştir ve diğ. PICA 47 için, ufalanmasının 48,49 formunda, örneğin, malzemenin mekanik arızaya neden zayıf bir elyaf yapısına neden olabilir. Bu nedenle, biz çok ısı kalkanı uygulamaları için gözenekli karbon kompozit malzemelerin yüksek entalpi testiyle birlikte genel bir mikro analiz göstermektedir. Bir mikro analiz nihai hedefi karbon fiber iç reaktivite belirlenmesi olacaktır. Panerai ve ark., 50 tarafından yürütülen olarak mekansal çözülmesi görüntüler mikro tomografi ile, örneğin, bu tür analizleri ilerleyebileceğini söyledi. Bir malzeme kod 51 .Bu kod yeni Thor kullanan ablatif kompozit malzemelerin derinlemesine termal tepki kompleksi simüle etmek için süreksiz Galerkin ayrıştırmayı kullanarak VKI geliştirildiough fiziko-kimyasal kütüphane Mutasyon ++, sonlu-oran gaz fazı kimyası ve homojen / heterojen gaz / gaz-katı denge kimyası 52 hem hesaplanması dahil, gaz karışımları termal ve taşıma özellikleri sağlayan. Biz gözenekli ortam mikro devleti temsil edebilir malzeme yanıt kodu, bizim deneysel verilerin karşılaştırılması öngörmektedir.

Acknowledgments

B. Helber araştırma (IWT # 111529 dossier) Bilim ve Teknoloji tarafından Yenilik Ajansı bir burs ile desteklenmiştir Flanders ve Avrupa Araştırma Konseyi tarafından TE Magin araştırma Hibe # 259354 Başlıyor. Biz Plazmatronun operatörü olarak görev yaptığı değerli yardım için Bay P. Collin kabul. Biz minnetle test malzemesi sağlamak için ve bilgilendirici destek için George Kanunu ve Stephen Ellacott kabul.

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

Mühendislik Sayı 112 Uzay mühendisliği Thermophysics ablasyon kompozit malzemeler emisyon spektroskopisi faz geçiş yüksek sıcaklık özellikleri kimya mikro analiz optik teşhis
Plazmatronun ablatif Malzeme Test sırasında Emisyon Spektroskopik Sınır Tabaka İncelenmesi
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