الانبعاثات الطيفية الحدود التحقيق طبقة خلال صيغة الجر اختبار المواد في Plasmatron

1Aeronautics and Aerospace Department, von Karman Institute for Fluid Dynamics, 2Research Group Electrochemical and Surface Engineering, Vrije Universiteit Brussel
Published 6/09/2016
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering
 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

في 6 آب 2012، مختبر علوم المريخ التابع لناسا (MSL) بعثة هبطت بنجاح المسبار على سطح المريخ. ويشمل هذا المسبار بالفعل نظام جمع العينات الآلي للكيمياء وعلم المعادن التحليل. لم يمض وقت طويل بعد، في 12 تشرين الثاني عام 2014، واندر وكالة الفضاء الأوروبية الروبوتية فيلة تحقيق أول هبوط لينة على المذنب. وتشير هذه الأمثلة أن الخطوات المقبلة ستكون لتحديد وتطوير وتأهيل التقنيات المطلوبة لإعادة عينات من المريخ أو الكويكب بسلام إلى الأرض. حاليا، مواد الجر هي الخيار الوحيد لنظام الحماية الحرارية (TPS) من هذه البعثات عينة عودة، التي تحمي المركبة الفضائية من التدفئة الشديدة أثناء دخول الفائق السرعة. الكيميائية والتحلل الجسدي من ablators تحويل الطاقة الحرارية إلى فقدان كتلة والركود، في حين أن المواد الصلبة المتبقية يعزل 1،2 طيدة السيارة. مع أساليب قدمت خلال هذا البروتوكول، ونحن نريدللمساهمة مع البيانات التجريبية الجديدة للجهود الجارية لتحسين موثوقية الدرع الواقي من الحرارة عن طريق الحد من الشكوك تصميم وتطوير نماذج جديدة الاجتثاث الحرارية والكيميائية.

لتحقيق خصائص أداء عالية من المواد الحرارية حماية (TPM) المهندسين الجر تحقيقات الكواكب والمركبات الفضائية الاستفادة من مجموعة واسعة من المواد المركبة 3،4. وتتكون تدابير الحماية التكنولوجية عموما مقدمة جامدة ومصفوفة التعبئة، لتكون بمثابة pyrolyzing، ablating، والمواد العازلة في انخفاض الوزن مع الخواص الميكانيكية معقولة. الأمثلة الحالية من عائلة جديدة من ablators خفيفة الوزن التي يسهل اختراقها للبعثات دخول عالية السرعة، ومصنوعة من ألياف الكربون التشكيل مشربة مع الراتنج الفينول، وبيكا (الفينول مشربة ablator الكربون) التي وضعتها ناسا 5،6، وablator الأوروبي Asterm 7. بالإضافة إلى وكالات الفضاء بالتعاون مع الصناعة، بدأت عدة مجموعات بحثية على ليف الدراسيايل لتصنيع وتوصيف ablators جديدة خفيفة الوزن، انظر على سبيل المثال يحيل الى 2،8 - 12.

خلال دخول الغلاف الجوي، ويتم نقل جزء من تدفق الحرارة القادمة من الغاز صدمة ساخنة داخل الدرع الواقي من الحرارة ويتم تحويل المواد البكر التالية آليتين: الانحلال الحراري carbonizes تدريجيا الراتنج الفينولي إلى منخفض الكثافة، وشار التي يسهل اختراقها، وفقدان نحو 50٪ من لإنتاج الغازات الانحلال الحراري عن طريق تبخير كتلة. تم نقل الغازات الانحلال الحراري من مادة عن طريق الانتشار وزيادة الضغط الناتج عن تحللها. أنها تستنفد في طبقة الحدود، وتوفير المزيد من حاجز لتبادل الحرارة عن طريق النفخ وتفاعلات كيميائية إضافية. استخدام البوليمرات مثل راتنجات الفينول لمصفوفة يستفيد من طبيعة تدهور ماص للحرارة، وبالتالي امتصاص الطاقة، والقيام بدور الموثق لمكونات أخرى. ظاهرة التحول الثانيةهو الاجتثاث عن طبقة شار، ويتألف من الراتنج متفحمة وألياف الكربون المتبقية. ويتم تشجيع هذا عن طريق التفاعلات الكيميائية غير المتجانسة، مرحلة تغيير وتآكل الميكانيكية، مثل تشظية، مما يؤدي تماما إلى الركود للمادة.

على الرغم من البيانات المتاحة رحلة على أداء المادي خلال البعثات الماضية، والجهود المبذولة في نمذجة المواد 13،14، والتنبؤ تدفق الحرارة إلى المركبة الفضائية لا يزال يمثل مشكلة حرجة. تجارب في بلازما الرياح الأنفاق هو حاليا الخيار بأسعار معقولة الوحيد للتأهيل للمواد الحماية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح نماذج استجابة مواد جديدة متعددة النطاق من أجل أن تأخذ في الاعتبار هيكل الصغيرة التي يسهل اختراقها من فئة جديدة من المواد 15،16. تلك النماذج تتطلب بيانات تجريبية واسعة لتطويرها والتحقق من الصحة.

المرافق في استخدام لتوصيف المواد هي الأكثر شيوعا قوس ساخنة 17 </ سوب> - 20 أو تحريض يقترن 21،22 المشاعل، والتي توفر المحتوى الحراري الغاز عالية مع الهواء مثل غاز الاختبار، مثالية لمحاكاة العائدة الغلاف الجوي. و1.2MW دون سرعة الصوت إلى جانب بالحث البلازما (ICP) شعلة مرفق Plasmatron في معهد فون كرمان (VKI) قادر على إنتاج البيئة aerothermodynamic من دخول الغلاف الجوي في طبقة حدود نقطة ركود كائن اختبار لمجموعة واسعة من الضغوط و الحرارة تدفقات 23-25. يوفر إجراء إعادة البناء العددي واسعة توصيف مفصل للطبقة الحدود واستقراء بيانات اختبار الأرض لظروف الطيران الحقيقي إعادة الدخول على أساس محاكاة انتقال الحرارة المحلية (LHTS) مفهوم 26،27.

نقدم إجراء لتوصيف المواد التي يسهل اختراقها على السلائف من ألياف الكربون في البيئة ممثل غاز البلازما جيدا اتسم الرحلة اعادة الدخول. وcharacteriza freestream البلازمانشوئها ليست جزءا من هذا البروتوكول ولكن يمكن العثور عليها في أي مكان آخر (28). تم دمج والإعداد التجريبية شاملة من تقنيات تدخلية وغير تدخلية للتحليل في الموقع من المواد المعرضة لتدفق البلازما الساخنة. نتائج تلك التجارب الاجتثاث قدمت بالفعل ومناقشتها على نطاق واسع في إشارة أخرى 28. ويهدف هذا البروتوكول إلى تقديم معلومات مفصلة عن تقنيات تجريبية، تركيبها في منشأة، وإجراءات لتحليل البيانات. الجمهور المستهدف من هذا المنشور هي متعددة: من جهة، ومن المفترض هذا المنشور لتوفير فهم أفضل للأساليب وإجراءات تجريبية لتحسين فهم خصائص المنشأة لمطوري الشيفرات المادي والمهندسين من مواد الحماية الحرارية. من ناحية أخرى، تعالج التجريبيون المختبرات مع تسهيلات مماثلة للاستنساخ البيانات والمقارنة، وتوسيع قاعدة بيانات ablatإيف استجابة مواد لأوسع للحرارة تدفق وضغط النطاق.

Protocol

1. مرفق إعداد

  1. تعريف التحقيق وعينة حامل الاحالة على أساس توافر وسهولة مواصفات (3 أصحاب التحقيق في هذا العمل) للحصول على أفضل وجهات النظر حول عينة الاختبار من خارج المنشأة لالقياسات البصرية أثناء التجربة.
  2. إذا تم استخدام المواد pyrolyzing، ضع عينة الاختبار في بيئة تبريد (T <200 درجة مئوية) قبل اختبار بدء لمنع تدهور المبكر وإطلاق الغازات.
  3. استخدام أصحاب مسبار المتاحة لقياس تدفق الحرارة وقياس الضغط من تدفق البلازما وتفاصيل حول تدفق الحرارة وقياس الضغط نظام Pitot في منشأة Plasmatron يمكن العثور في اشارة 24.

الإعداد 2. تقنيات القياس

  1. الإعداد مطياف الانبعاث والمحاذاة
    1. تحديد مطياف المطلوب تبعا لأهداف الاختبار والأجهزة المتاحة: الاجهزة المحتملة تتكون من عدة جمعية مهندسي البترول صغيرة، ولكن واسعالطيف ctral المدى لقياس نقطة، أو الطيفي عالية الدقة متصلة مجموعة 2D CCD السماح لقياسات حل مكانيا (على سبيل المثال على طول محور أو في دائرة نصف قطرها من الطائرة البلازما أمام اختبار العينات).
    2. اعتمادا على تكوين مطياف المختار، تحديد التكبير التي ستكون مطلوبة واختيار العدسة المناسبة كما هو مبين أدناه:
      1. نلاحظ ثلاثة مواقع ضمن 4 مم (من المتوقع سمك طبقة حدود) أمام اختبار عينة من الطيف، وبالتالي، 2 زيادات ملم. وهذا يؤدي إلى تضخم م = 3 لنظام بصري نظرا لبعد المسافة الدنيا بين كل من الألياف التي تقتصر على 6 مم الكسوة الألياف (4 ملم على 12 ملم ذات العوائد م = 3).
      2. تحديد البعد البؤري للعدسة المطلوبة من قبل التكبير ورقيقة عدسة المعادلة:
        م = ق ط / ق س، مع الصورة الأولى والصورة ق س + 1 / ق ط = 1 / و، مع f يجري البعد البؤري للعدسة.
        ملاحظة: في هذا البروتوكول: ق ط = م س ق س = 3 × 1000 مم = 3000 ملم، مما أدى إلى F = 750 مم.
      3. استخدام المرايا إذا كانت المسافة بين العدسة وجوه كبيرة غير عملي (هنا 3000 مم).
    3. إزالة جاكيتينغ من الألياف البصرية من أجل تقديمهم أقرب معا ممكن، وتصميم نظام تصاعد مريحة. على سبيل المثال، استخدام الصحافة مناسبا تجميع بسيط مع الألياف الكذب بجانب بعضها البعض.
    4. محاذاة النظام البصري (التي تتكون من عدسة والمرايا والألياف البصرية ينتهي) باستخدام الليزر الخط العمودي والأفقي: إحضار جميع المكونات إلى نفس الارتفاع (كما عينة الاختبار) ومحاذاة عدسة عمودي على خط الركود العينة (منطقة في آلة القطعطن من الأنف العينة على محور من العينة).
    5. التركيز على مسار بصري عن طريق وضع العدسة في س المسافة الصورة من عينة الاختبار والألياف البصرية ينتهي على مسافة ق ط من العدسة. تسليط الضوء على نقطة عينة الركود مع مصباح ووضع الألياف ينتهي في موقع أفضل صورة مركزة.
      ملاحظة: إنشاء صورة من نمط قلم رصاص مصباح الزئبق المعايرة وضعه أمام عينة الاختبار يمكن أن تساعد: ربط طيف واحد إلى الألياف الضوئية ووضع نهاية الألياف المنقولة حيث يحدث انبعاث أقوى الزئبق.
    6. مرة واحدة يتم محاذاة نظام عدسة الألياف، وإرسال نقطة الليزر من خلال نهايات الألياف (الجانب مطياف) ومراقبة ليزر تركيزا على الجانب عينة مع ورقة ورقة بيضاء لتأكيد الموقف الصحيح والتركيز أمام عينة الاختبار (قبل كل اختبار تشغيل).
    7. منع أي انبعاثات إلا أنه من وجهة التنسيق من دخول الألياف البصرية ينتهي كتبها أونإغلاق مسار بصري مع الورق المقوى الأسود. شيك مسطر مع شعاع الليزر التي لا ضوء إلا أنه ركز بواسطة العدسة والتي تعكسها المرايا يصل الألياف ينتهي داخل نظام مغلق. للقيام بذلك، وإرسال شعاع ليزر من خلال الألياف البصرية (الجانب مطياف) وتأكد من عدم وجود ضوء المنبعث من نهاية الألياف قادرة على الوصول إلى عدسة مباشرة.
  2. عالية السرعة كاميرا (شهادة الثانوية العامة)
    1. استخدام كاميرا عالية السرعة لمراقبة سطح إذا كان متوفرا للسماح مرات التعرض قصيرة للصور المشبعة الامم المتحدة للالساخن، سطح ablating.
    2. نلاحظ عينة الاختبار مع شهادة الثانوية العامة عمودي على سطح العينة. استخدام نموذج - نظام محور العدسة لالمحاذاة الأفقية والرأسية للبصريات الكاميرا. تأكد من مركز مجال الرؤية من شهادة الثانوية العامة يتزامن مع مركز العدسة ونقطة عينة الركود.
    3. تزامن شهادة الثانوية العامة والطيف الانبعاثات مع تأخير مولد الرقمية (نائب المدير العام). تحريك شهادة الثانوية العامة تسجيل معذروة الجهد واحدة من نائب المدير العام وتؤدي كل تسجيل الطيف مع التردد المطلوب (2HZ) خلال التجارب (القسم 3).
  3. قياس الإشعاع
    1. استخدام البيرومتر اللونين لرصد درجة حرارة سطح الأرض في تركيبة مع نافذة الكوارتز في غرفة الاختبار.
      ملاحظة: إذا كان من المتوقع درجات الحرارة هدف عالية جدا، تتجاوز نطاق القياس للجهاز، والنظر في خفض وهج قابلة للقياس مع عامل تصفية أو نافذة المناسب انخفاض النفاذية.

3. التجريبية اختبار

  1. التقاط صور مع كاميرا DSLR التقليدية، وقياس أبعاد (باستخدام قاعدة العيار) ووزن عينة الاختبار البكر قبل التثبيت في غرفة الاختبار.
  2. إعداد شهادة الثانوية العامة البرنامج:
    1. تعيين وقت التعرض عالية (90 ميللي ثانية) إلى محاذاة والتركيز على شهادة الثانوية العامة قبل التجربة مع عينة الاختبار في مكان والتقاط صورة قبل الاختبار (بعد الزناد = 1).
    2. تغييروقت التعرض لتجربة (2-10 μsec)، ووضع ما بعد الزناد إلى الحد الأقصى (لتخزين جميع الأطر)، تعيين معدل تسجيل الصحيح (الثانية) لتغطية التجربة كاملة (هنا 30-90 ثانية في 100 إطارا في الثانية).
    3. مجموعة الأولي F-العدد إلى f / 16.
  3. تعيين نائب المدير العام لمعدل تكرار المطلوب الذي يجب أن تسجل أطياف من الطيف (هنا: 2 هرتز). وأول نبض الزناد يبدأ اكتساب شهادة الثانوية العامة.
  4. إعداد برنامج الحصول على طيف (التكامل الوقت τ إكسب: اعتمادا على كثافة الانبعاثات، هنا: 20-150 ميللي ثانية، والتكيف أثناء التجربة إذا لزم الأمر، ومتوسط ​​= 1).
    1. تأكد من لا يزال وضع النظام البصري بشكل صحيح قبل التجربة مع العينة في مكان (راجع الخطوة 2.1.6).
    2. أخذ صورة خلفية S حرس الحدود مع كل طيف وحفظه.
    3. تغيير الزناد إلى 'برامج خارجية، وذلك حسب البرنامج (على سبيل المثال، SpectraSuite) (غروب الآخرينالإضافات هي: "الخارجية" و "تزامن"، مع أغراض مختلفة).
    4. حفظ كل الطيف عندما تلقي نبض الزناد.
  5. تثبيت كاميرا عالية الوضوح (HD) في أي وصول البصرية إذا رغبت في ذلك.
  6. وضع عينة الاختبار في نظام الحماية وفراغ غرفة الاختبار باستخدام مجموعة من ثلاث مضخات كهربائية دوارة دوارة ومضخة الجذور.
  7. بدء تشغيل منشأة البلازما وإحضاره إلى حالة اختبار المستوى المطلوب من حيث تدفق الحرارة والضغط عن طريق ضبط مدخلات الطاقة الكهربائية ومضخات التفريغ. استخدام الحرارة تدفق التحقيق والتحقيق نظام Pitot (الخطوة 1.3) لمراقبة الظروف التي تحققت (1 ميغاواط / م 2 و 3 ميغاواط / م 2 في 15 هكتوبسكال و 200 هكتوبسكال).
  8. بدء تسجيل HD-الكاميرا وبيرومترات.
  9. خذ طيف تيار الحرة مع كل الطيف المتاحة (للمقارنة المعايرة) ثم أقل وقت التكامل لمنع التشبع (من 200 مللي ثانية إلى 50 مللي ثانية).
  10. الزناد شهادة الثانوية العامة والطيف عن طريق نائب المدير العام (راجع الخطوة 3.2 لإعداد) عن طريق الضغط على 'علم حساب المثلثات "وتحديد طريقة من' الخارجية 'إلى' الداخلية '.
  11. حقن عينة الاختبار في تدفق البلازما. هنا، يتم استخدام آلية تعمل بالهواء المضغوط لحقن عينة.
  12. ضبط الوقت التكامل من الطيف إذا لزم الأمر لتجنب التشبع (من الناحية المثالية، أي تغيير في تكوين الإعداد الآن يجب تجنبها).
  13. ضبط الفتحة من شهادة الثانوية العامة إذا لزم الأمر لمنع استشعار التشبع.
  14. إزالة عينة الاختبار بعد المرجوة وقت الاختبار (30 ثانية أو 90 ثانية) في نظام الحماية عينة واغلاق تدفق البلازما.
  15. وقف نائب المدير العام واكتساب مطياف، حفظ الصور على شهادة الثانوية العامة، ووقف شراء البيرومتر.
    ملاحظة: اترك البيرومتر تشغيل إذا كان يتم اختبار مادة ذات سعة حرارية عالية لمراقبة المرحلة باردة حالا (ليس من الضروري لالتشكيل CBCF).
  16. إرسال نقطة الليزر من خلال نهايات الألياف البصرية (الجانب مطياف) ونلاحظ التركيز الليزر مع شهادة الثانوية العامة، وحفظ هذه الصورة بمناسبة موقف مطياف.كرر هذه الخطوة مع كل طيف / الألياف البصرية.
    تنبيه: تأكد من الليزر ليست قوية جدا لتلف مجموعة CCD الكاميرا. ويفضل جهاز التفريغ. بدلا من ذلك، صورة لافتا الليزر على ورقة ورقة أمام العينة المختبرة التي يمكن اتخاذها.
  17. وضع رقعة الشطرنج في موقف عينة الاختبار وصورة السجل مع شهادة الثانوية العامة للمعايرة.
  18. إزالة عينة الاختبار (على سبيل المثال، من خلال طرد الهيدروليكي)، واتخاذ الوزن، والتقاط الصور، وتخزينها في تخزين العينات لحماية طبقة شار هشة تتألف من ألياف المؤكسد (لا تلمس سطح العينة أمامي).

4. مطياف المعايرة

  1. المعايرة الطيفية
    1. وضع مصباح معايرة الطيفي في النقطة البؤرية للعدسة (على سبيل المثال، مصباح الزئبق أسلوب قلم رصاص) لتحديد معايرة الطول الموجي والعرض الكامل، نصف الحد الأقصى (FWHM) من النظام البصري، وتفاصيل عن تلك الخطوات التي يمكن العثور عليها في يتيراتلح 29.
  2. معايرة شدة
    1. إجراء معايرة كثافة كل النظام البصري الذي يتألف من آلية لجمع الضوء (عدسة) والكفاءة مطياف في W / (م 2 · ريال · نانومتر) بين 350 نانومتر و 900 نانومتر. القيام بذلك عن طريق وضع مصباح التنغستن الشريط (أوسرام WI 17G) في تركيز كل البصرية جمع داخل غرفة الاختبار. تسجيل الطيف S كال المصباح المعايرة، وإكسب والحصول على عامل المعايرة C حسب:
      C = S كال، ال / (S كال، إكسب - S حرس الحدود، كال) س τ كال،
      مع الاستجابة الطيفية النظرية للمصباح معايرة (المقدمة من قبل الشركة المصنعة) S كال، ال، إشارة يقاس من كال معايرة مصباح S، إكسب، وS حرس الحدود الخلفية، كال، والوقت التكامل خلال قياس المعايرة τ كال </ م>.

5. معالجة البيانات

  1. معدل سطح الركود ومطياف موقع التحقيق (ق):
    1. مراقبة حقن عينة والأوقات طرد لملف الفيديو شهادة الثانوية العامة لتقدير الصحيح وقت الاختبار.
    2. مراقبة بكسل موقع نقطة الركود اختبار عينة في حقن من ملف الفيديو على شهادة الثانوية العامة.
    3. معايرة شهادة الثانوية العامة التكبير من خلال تصدير الصورة التي اتخذت في خطوة 3.17 (على سبيل المثال و tiff الشكل) والعد بكسل في المنطقة قياس تمتد عدة مربعات رقعة الشطرنج. حساب بكسل علاقة: مم (الحصول على توصيف أكثر تفصيلا من المعلمات كاميرا الجوهرية وخارجي باستخدام الأدوات الكاميرا المعايرة في MATLAB إذا رغبت في ذلك).
    4. تصدير الصورة (الصور) التي اتخذت في خطوة 3.16 (على سبيل المثال و tiff الشكل) والعثور على بكسل من موقع مطياف التحقيق (ق) على شكل بقع لامعة على الصورة، مشيرا إلى X- وموقف ذ.
    5. تصدير الصور على شهادة الثانوية العامة (على سبيل المثال، Multitiff-Fتقوم (Ormat)) وأداء الكشف عن الحافة (على سبيل المثال، باستخدام ماتلاب بناء في وظيفة 'الحافة') لتحديد موقع نقطة الركود في كل خطوة الوقت طط و ص ط).
    6. طرح موقف السطح (الخطوة 5.1.5) من موقع لموقع مطياف التحقيق (ق) (الخطوة 5.1.4) لكل خطوة الوقت للحصول على مسافات د (ر) من على سطح الأرض.
  2. معالجة أطياف الانبعاث (عن مرحلة ما بعد المعالجة يمكن على سبيل المثال أن يؤديها في ماتلاب).
    1. تصدير جميع الملفات الطيف سجلت (الطول الموجي مقابل كثافة) ومعايرة استجابة كثافة كل الطيف التي سجلتها:
      S إكسب، كال = (S إكسب - S BG) / τ إكسب س
      مع الحصول تجريبيا إكسب الطيف وحرس الحدود ملف خلفية S (الخطوة 3.4.2)، وهي المرة التكامل التجريبي64؛ إكسب وعامل المعايرة C تحديدها خلال خطوة 4.2.1.
    2. إذا تم استخدام عدة الطيف، وتقييم صحة معامل المعايرة C باستخدام أطياف freestream التي اتخذت خلال خطوة 3.9. رسم كل معايرة أطياف تيار الحرة معا. يجب أن تكون إجاباتهم متطابقة تقريبا لان أحجام التداول جمع مطياف في تدفق البلازما هي قريبة جدا من بعضها البعض.
    3. فتح الملف الذي يحتوي على ناقلات الطول الموجي للأطياف معايرة (على سبيل المثال، انقر نقرا مزدوجا فوق الملف .mat في MATLAB) وتحديد مؤشرات الصف المقابل للموجات λ 1 = 370 نانومتر، وλ 2 = 390 نانومتر (بدلا من ذلك، استخدم "نجد "الأمر في ماتلاب).
      ملاحظة: للحصول على pyrolyzing ablators الفينول نشأت الأنواع متوفرة أيضا، مثل C CH، H، NH، OH.
    4. دمج إشارة انبعاث الفائدة (هنا CN الانبعاثات البنفسجي، 370-390 نانومتر) بين اثنين طndices 1 و λ 2) من الخطوة 5.2.3 لكل خطوة الساعة (أنا λ λ 1- 2 (ر)).
    5. مؤامرة مع البرنامج المفضل انبعاث متكاملة طيفيا (أنا λ λ 1- 2 (ر)) من كل الطيف (الخطوة 5.2.4) بوصفها وظيفة من مسافات مطياف من على سطح الأرض (الخطوة 5.1.6) (الشكل 2) ( على سبيل المثال، مؤامرة (د (:، 1: 3)، أنا (:، 1: 3)، 'س')).
    6. لأفضل تفسير النتائج، وإجراء مناسبا متعدد الحدود من البيانات ورسم النتائج (على سبيل المثال، وذلك باستخدام قيادة polyfit MATLAB ل:
      [ص، ErrorEst] = polyfit (د (:، 1: 3)، أنا (:، 1: 3،9).
      [يصلح، دلتا] = polyval (ع، د (:، 1: 3)، ErrorEst)؛ مؤامرة (د، صالح))
      ملاحظة: اعتمادا على الموقع وحل الأطياف المسجلة، ودرجة الحرارة الدول متحمس من الجزيئات يمكن تحديدها. استخدام simul الإشعاعأداة أوجه لتناسب أطياف العددي لالأطياف التجريبية من البنفسجي CN وأنظمة بجعة C 2. وتشمل العديد من الأدوات على الانترنت أدوات مناسبة الطيفية للحصول متعدية، التناوب، الذبذبات، ودرجات الحرارة الإلكترونية 30.

6. بعد اختبار فحص عينة

  1. المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة ألياف الكربون وطبقة شار تدهور
    ملاحظة: نظرا لالموصلية الكهربائية العالية بهم، لا مزيد من العلاج ضروري في حالة العينات الكربون متفحمة بالكامل. الشحن وسوف تشويه الصور يحدث إذا راتنج الفينول البكر موجودا ضمن عينة الاختبار.
    1. إذا كان ذلك ممكنا، ضع عينة الاختبار كاملة في فراغ الغرفة من الجهاز ووزارة شؤون المرأة لدراسة طبقة شار تجنب أي تدمير السطح.
      ملاحظة: وصفا مفصلا لوزارة شؤون المرأة والأشعة السينية التحليل المجهري تطبيقها على المواد المركبة ويرد في الأدب 31 و غير المدرجة في هذه الصفحةrotocol.
    2. استخدام عذراء (لم يختبر) عينة المواد كمرجع لدراسة أبعاد ألياف الكربون:
      1. اختيار واحد، والألياف واحد يمكن ملاحظتها بشكل جيد مع النظام ووزارة شؤون المرأة.
      2. تقدير البكر سماكة ألياف الكربون وطول الألياف مع الأدوات التي يوفرها برنامج نظام SEM وفقا لتعليمات الشركة الصانعة. على سبيل المثال، البحث في شريط الأدوات ل "قياس" وحدد "حاكم"، ثم اضغط على بداية ونهاية نقاط الكائن الهدف (على سبيل المثال، بداية ونهاية نقاط من واحد من الألياف).
        ملاحظة: هذا ينتج شريحة خط يربط ويتم عرض المسافة. إجراء هذه العملية تباعا حسب الضرورة.
    3. تحديد آليات تدهور الألياف على عينة اختبار، على سبيل المثال شكل إبرة، يشير إلى وجود الأكسجين محدودة نشر نظام الاجتثاث 28، في حين يتنافس من الألياف والهجمات المحلية قد يكون راجعا إلى نظام رد فعل تسيطر عليها و / أو تشغيل إشارات المحليلقد المواقع بسبب الشوائب من المواد.
    4. قطع المواد هشة باستخدام مشرط. التحقيق في التدهور في العمق وتقدير العمق في التي ضعفت الألياف بمقارنة سمك الألياف ذاب لسمك الألياف البكر (خطوة 6.1.2.2).
    5. كشف تشكيل السخام ممكن، وترسب الكربون على سطح على ablators pyrolyzing، وهذا يمكن أن تتعزز إذا تم اختبار العينة في جو من الأكسجين الفقراء (على سبيل المثال، النيتروجين أو الأرجون).
    6. استخدام الطاقة والتشتت تحليل الأشعة السينية (EDX) 31 جنبا إلى جنب مع وزارة شؤون المرأة لكشف وتحديد الشوائب من المواد التي قد تؤدي إلى زيادة التفاعل (على سبيل المثال، والكالسيوم والبوتاسيوم).

Representative Results

كانت المواد السائبة المتاحة علنا ​​المستعبدين الكربون مسامية عالية من ألياف الكربون التشكيل (CBCF)، ويتكون من العزل الألياف القصيرة القادمة من الحرير الصناعي (ألياف السليلوز مصنوعة من السليلوز النقي). مترابطة المفروم، متقطعة ألياف الكربون البكر في مصفوفة التي تنتجها الكربنة من راتنج الفينول. وخلال هذه العملية الألياف تصبح موجهة نحو والمجهرية والممتلكات ومتباين الخواص. ومن ثم فراغ معاملة المواد في درجات حرارة أعلى من 2300 ك لضمان استقرار درجة الحرارة وعدم وجود إطلاق الغازات. تم تشكيله المواد في المنزل لنصف كروية عينات (HS) اختبار نصف قطرها 25 ملم مع 50 ملم في الطول. عينات لديها كثافة الأولية من حوالي 180 كجم / م 3 مع المسامية الأولية من 90٪.

وقد استخدم مرفق VKI Plasmatron لجميع التجارب لاستنساخ ايرو الحرارياتالبيئة odynamic التدفقات البلازما إعادة الدخول، وخلق عالية المحتوى الحراري، نأت إلى حد كبير تدفق الغاز دون سرعة الصوت. يتم تسخين الغاز عن طريق الاستقراء من خلال لفائف، وخلق تدفق البلازما عالية النقاء. لمحة عامة عن غرفة الاختبار والتخطيطي لأجهزة القياس التجريبي لقياس الاجتثاث في الموقع يمكن العثور عليها في الشكل. 1 (أ) و 1 (ب). وترد ظروف الاختبار التجريبي والنتائج الإجمالية، مثل معدل الركود متوسط ​​تم الحصول عليها من التصوير شهادة الثانوية العامة وفقدان كتلة في الجدول 1. استخدمنا البيرومتر اللونين، وتوظيف واسع (0،75 حتي 1،1 ميكرون)، والضيق (0،95 حتي 1،1 ميكرون) النطاق الطيفي لتحديد درجة الحرارة في 1 نسبة الاستحواذ هرتز (1،300-3،300 K). استخدام شريطين الطول الموجي الضيقة وتحت افتراض وجود الابتعاثية كونها مستقلة عن الطول الموجي، ويمكن تقدير درجة حرارة سطح الأرض دون معرفة الابتعاثية لها. وأشار البيرومتر وركز في منطقة ركود الصورةوافرة من خلال نافذة الكوارتز 1 سم سميكة، في زاوية من 35 درجة فيما يتعلق خط الركود. تم معايرة أداة تصل إلى 3،300 K من مصدر الجسم الأسود.

وقد تم قياس الركود السطح بواسطة شهادة الثانوية العامة مع قرار من 0.2 مم. ومن الواضح أن قياسات الركود حكم الفرجار أدى عموما في القيم أكبر من تلك التي يؤديها التصوير شهادة الثانوية العامة، مع وجود فرق في مجموع الركود بين الطريقتين تتراوح ،45-،9 ملم. وقدم أعلى من عدم اليقين لهذا القياس عن طريق ضغط طبقة شار هشة مع حكم الفرجار. معدلات الركود في الهواء تراوحت بين 44.6 و 58.4 ميكرون / ثانية. ومن الواضح كذلك أن معدلات الركود تحديد شهادة الثانوية العامة في البلازما الجوية لم تختلف كثيرا، وربما يرجع ذلك إلى نظام الاجتثاث التي تسيطر عليها نشرها. في هذا النظام، ودرجة حرارة سطح مرتفع بما يكفي للتسبب استهلاك كامل من الأكسجين المتاحة على السطح، وconsequently، يقتصر الاجتثاث عن انتشار الأكسجين من خلال طبقة حدود 32،33. على العكس من ذلك، في بيئة تفاعل الأكسدة التي تسيطر عليها، والأكسجين ينتشر بشكل أسرع من خلال طبقة الحدود من يستهلك في الزيادات السطحية والاجتثاث مع درجة حرارة سطح الأرض. وذكرت معدلات الركود في المواد CBCF في بيئات عالية المحتوى الحراري أيضا من ماكدونالد وآخرون. (56 ميكرون / ثانية) 22 و Löhle وآخرون. (50 ميكرون / ثانية) 34. تلك القيم تكمن بين قياساتنا، على الرغم من ماكدونالد وآخرون. استخدام أسطواني الشكل عينة الاختبار وLöhle آخرون عينة الاختبار جزءا لا يتجزأ من التحقيق المياه المبردة.

استخدمت ثلاث الطيف منخفضة الدقة للمراقبة للمرحلة الغاز. الاستفادة من هذا الصك هو مسح سريع لمجموعة واسعة الطيف (200 - 1000 نانومتر) التي تسمح للكشف عن الجزيئات والذرات متعددة، موجودة في ablatتحليل أيون.

شدة الانبعاثات المتكاملة CN، تآمر على مسافة واحدة من ablating عرض سطح اتفاق جيد جدا مع الاحترام لبعضهما البعض (الشكل 2). وصفت البيانات وفقا لمواقفها من سطح العينة مع 'وثيقة'، 'وسط'، و 'الآن'. بقياس الطيف ثلاثة نفس CN كثافة الانبعاثات البنفسجي مرة واحدة في ضوء مسار بصري ثابت التي تم جمعها من نفس المسافة أمام السطح. شدة متكاملة من كل الطيف ثلاثة تقريبا يتزامن 3.4 مم قبل سطح ablating. تظهر كلتا الحالتين أن الانبعاثات البنفسجي CN المسجلة بلغ ذروته عادل امام عينة الاختبار، قبل أن تنخفض خلال الطبقة الحدودية. من تلك النتائج نستنتج أن المادي حرق حالا في الهواء خلال فترة الاختبار كله كان مستقرا للغاية، وأنه إشارة الانبعاثات المسجلة انخفض نحو 90٪ في غضون 5 مم أمامي من السطح. CN البنفسجيثم استخدمت الأطياف التجريبية للمقارنة الأطياف الناتجة من أجل الحصول على درجات حرارة الغاز. تم الحصول على أطياف الاصطناعية باستخدام SPECAIR 2.2، على افتراض توزيع بولتزمان من مستويات متحمس والمربعات الصغرى تم تطبيق الإجراء المناسب لتقدير درجات الحرارة متعدية التناوب تي تعفن والذبذبات الالكترونية درجات الحرارة T VIB (الشكل 3). شرطين، عند أدنى ترد (أ) و (ب) ارتفاع الضغط، مع أطياف أخذت على مقربة من الجدار في طبقة الحدود. حققت درجات الحرارة يقدر انحراف عالية من التوازن الحراري تحت ضغط منخفض (الشكل 3 (أ)). تم إجراء نفس التحليل لعدة مسافات من على سطح الأرض، مما يدل أفضل الانحراف عن التوازن الحراري على مقربة من جدار تحت ضغط منخفض (الشكل 4 (أ)، 15 هكتوبسكال)، توازنه من خلال الطبقة الحدودية. كانت درجات الحرارة التي تم استردادها في حدود 8200 K للT صبعد التمديد و21،000 K لتي VIB على مقربة من الجدار، مع تي VIB خفض نحو 8200 K من خلال الطبقة الحدودية. هذا هو على النقيض من حالة التوازن في جميع أنحاء الطبقة الحدودية في ارتفاع ضغط (الشكل 4 (ب)، و 200 هكتوبسكال). واستندت حدود درجة الحرارة على حالة من عدم اليقين من 10٪ على كثافة الانبعاثات مطياف، والسماح لاختلاف الطيف النظري ضمن تلك الحدود لإجراء المناسب.

تحت ضغط منخفض، يتم تقليل نقل الإثارة بين الجزيئات بسبب عدد أقل من التصادمات، وهو ما قد يفسر تأثير توازنه نحو حافة الطبقة الحدودية. ونحن نفترض تأثير قوي من النيتروجين الجزيئي في منخفضة المحتوى الحراري البلازما على الإنتاج CN، تليها الإثارة الذبذبات من CN. ومن المفترض الامتزاز فصامي من النيتروجين غاية السعادة vibrationally لإنشاء مواقع تفاعلية على سطح التي تؤدي إلى إنتاج CN. BoubertوVervisch وصف هذه العملية في البلازما النيتروجين / ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط منخفض (35). قد تخلق هذه العملية مجموعة من ذرات النيتروجين على السطح، مع التفاعلات الطاردة للحرارة مما يؤدي إلى الطاقة الزائدة التي يجري تحويلها إلى الإثارة التناوب والذبذبات من CN.

أثبتت الميكروسكوب أن أكسدة الكربون في الهواء البلازما أدت إلى شكل جليد من الألياف ذاب مع عمق أكسدة نحو 0.2 مم (الشكل 5 (أ)). وذكر هذا النوع من تشكيل جليد بسبب الاجتثاث على نطاق واسع في الأدب للمواد مركب الكربون الكربون 36-38. شكل جليد (زاوية فتح) يعتمد على المنافسة تفاعل نشر على السطح من مادة مسامية، وبالتالي يختلف مع انتشار الأوكسجين. ويفترض هذا الطول لتتوافق مع متوسط ​​عمق انتشار الأوكسجين. شكل جليد بالإضافة إلى ذلك تؤكد الاجتثاث التي تسيطر عليها نشرها. في المقابل، رد فعلان الاجتثاث محدود يسمح الأكسجين لتطفو في بنية الألياف أعمق، وإنتاج تأليب المحلي من ألياف الكربون.

وقد لوحظ أثار مشرق خلال بعض الاختبارات الاجتثاث (الشكل 5 (ب))، والتي قد تكون ناجمة عن مجموعات الألياف الساخنة فصل من على سطح الأرض. أدى الاجتثاث في البلازما النيتروجين للألياف المتدهورة للغاية على طول سطحها، مما أدى إلى حالة من الركود البطيء للمواد التي نتردة (الشكل 5 (ج)). كما أن التفاعل بين الكربون والنيتروجين هو أقل من ذلك بكثير إلى الأوكسجين والنيتروجين قادر على نزع فتيل أعمق في المواد، مما أدى إلى تدهور على طول الألياف كله.

شكل 1
الشكل 1. Plasmatron ونظرة عامة على إعداد التجريبية. (أ) نظرة عامة غرفة الاختبار VKI Plasmatron تشير عينة الاختبار خارج ر انه نظام الاستبقاء وتدفق الحرارة والضغط تحقيقات، والمداخل البصرية لالإشعاع، شهادة الثانوية العامة، والبصريات مطياف. (ب) تخطيطي من الإعداد التجريبية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1
الجدول 1. ظروف الاختبار Plasmatron والنتائج التجريبية لعينات التشكيل الكربون. اختبار حالة مرجعية والغاز اختبار، ثابت الضغط ع الصورة، ودينامية ضغط ص د، مولد للطاقة يعني الجدار البارد تدفق الحرارة ف الأسلحة الكيميائية واختبار عينة التعرض لفترة τ، يعني درجة حرارة سطح تي الصورة، ومعدل الركود ص / τ، والشامل معدل فقدان م / τ.

> الشكل 2
الشكل 2. الانبعاثات البنفسجي المكانية CN في الطبقة المتاخمة لمحات الانبعاثات التي سجلتها ثلاث الطيف المجاورة خلال الاجتثاث التشكيل في الهواء يتزامن بشكل جيد عندما مسارات البصرية الثابتة وجمع الضوء من مسافة واحدة أمام سطح ablating: مادة مستقرة حرق حالا، ورد الفعل طبقة حدود حجم ~ 5 مم أمامي من السطح (حالة A1A). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. درجات الحرارة CN البنفسجي المقدرة من طريقة تركيب الطيفي. طريقة المربعات الصغرى لتركيب افضل من CN البنفسجي أطياف حسابها مع SPECAIR 2.2 المقدمة متعدية-التناوب والذبذبات-الإلكتروني تمبratures تي تعفن وتي VIB: (أ) الحالة A1A: T تعفن = 8240 K ± 400 K، T VIB = 21600 K ± 1700 K، T LTE = (المشار إليها التوازن محاكاة T LTE للمقارنة) 12،600 K ± 500 ك. (ب) الحالة A1A: T تعفن = 6880 K ± 200 K، T VIB = 7120 K ± 180 ك الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. CN ملامح درجة الحرارة فوق البنفسجية في الطبقة الحدودية. بالحركة لمبدأ التناوب والذبذبات-الإلكتروني درجات الحرارة T تعفن وتي VIB من محاكاة، تركيب CN البنفسجي أطيافالمحسوبة مع أداة محاكاة الإشعاع في أربع مسافات من سطح ablating تشير الانحراف من الحراري على مقربة حالة التوازن على الجدار عند ضغط منخفض من 15 هكتوبسكال (أ) ولكن التوازن الحالي في جميع أنحاء الطبقة الحدودية في 200 (ب) هكتوبسكال. واستندت حدود درجة حرارة [ك] على عدم اليقين من 10٪ على كثافة الانبعاثات مطياف، والسماح لاختلاف الطيف النظري ضمن تلك الحدود لإجراء المناسب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. الضوئي الكترون الميكروسكوب بعد الاجتثاث الهواء (أ)، بما في ذلك في الموقع صورة (ب) والميكروسكوب بعد الاجتثاث النيتروجين (ج) (أ) المشاركة الميكروسكوب-الاجتثاث الهواء التي اتخذت فيالسطح الأمامي بالقرب من الركود نقطة ترقق الحالي من ألياف الكربون بسبب الأكسدة من غيض من الألياف، مما يؤدي إلى شكل جليد، وعمق انتشار الأوكسجين قريب إلى 200 ميكرون (نشر الاجتثاث محدودة). (ب) أخذت الصورة خلال اختبار الاجتثاث من عينة الاختبار الاسطوانية (زمن التعرض: 1/200 ثانية) يوضح أثار مشرق. وقد لوحظ (ج) تآكل قوي في النيتروجين على طول الألياف كله. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

يصف هذا البروتوكول إجراءات لتوصيف المادي للتفاعل مواد الحماية الحرارية في تدفقات المحتوى الحراري عالية ويعرض نتائج العينة التي تم الحصول عليها على غير pyrolyzing، ablating ألياف الكربون المستعبدين الكربون (CBCF) السلائف. المواد CBCF هي مشابهة جدا لمقدمة جامدة لمنخفض الكثافة ablators الفينول الكربون مثل PICA وAsterm، التي هي الأهداف النهائية من التقنيات المعروضة. المزايا الرئيسية من المواد CBCF هي سعره المنخفض وتوافر مفتوحة، لأنه لا يقتصر على تصدير تراخيص السيطرة. تم اختياره لتقديم نهج المؤلفين على المؤسسات البحثية الأخرى يمكن بسهولة الحصول على المواد الخام CBCF. مع هذا المنشور، والكتاب تتوخى تعريف إجراءات موحدة واضحة نسبيا، وتسهيل مقارنة مع غيرها من المختبرات.

التقنيات الأساسية هي طريقة غير تدخلية لتتبع الركود المادية والتحقيق رانه الكيمياء في طبقة حدود رد الفعل من قبل الطيفي الانبعاثات. تطبيق التصوير فائق السرعة هي تقنية واضحة ولكن العناية يجب أن يؤخذ مع المواءمة بين نظام الكاميرا وإشعاع سطح المتوقع. زمن التعرض القصير في ترتيب ميكروثانية قليلة يساعد على تجنب تشبع من مستشعر الكاميرا.

ويذكر أن عدد من التقنيات التصويرية لablator الركود في الأدب، على سبيل المثال Löhle وآخرون. 34. فهي متفوقة على تقنية لدينا بسبب التصوير من سطح ablator كله في دقة أعلى. والمؤلفون على قرار من 21 ميكرون، وهو ما يقرب من واحد أمر من حجم أعلى من التقنية المعروضة في عملنا. ومع ذلك، وتركيب الإعداد والمعايرة، ومرحلة ما بعد المعالجة التصويري وتستغرق وقتا طويلا (تقرير المؤلفين 1 يوم / اختبار)، ويطلب من اثنين من الموانئ البصرية في حالة وجود اثنين من الكاميرات المستقلة لاستخدامها. حملات الاختبار التي تتطلب ن عاليةبني مصفر من عينات الاختبار جعل هذا التطبيق مكلفة جدا. يتم تعيين تقنية الواردة في هذا البروتوكول بسهولة ويمكن القيام به مرحلة ما بعد المعالجة مع الأدوات الرقمية القائمة. اجتمع أسلوبنا الهدف الهدف من اتباع الركود السطح في الموقع. دقة تقنية لدينا يمكن زيادة مع الكاميرا القرار أعلى أو البؤري أعلى من النظام البصري. ومع ذلك، إذا كان التحليل المادي يتطلب قرار مكانية عالية من تفاصيل السطح، نقترح توظيف تقنيات المسح التصويري.

الرعاية يجب أن يؤخذ مع محاذاة ومعايرة النظام البصري للالطيفي الانبعاث الضوئي (التضامن الإماراتي). هذه التقنية محدودة لقياسات خط البصر ويتم تقييد بالتدقيق على الذرات المثارة إلكترونيا والجزيئات. ولكن بساطته وارتفاع العائد على الاستثمار لا يزال يحكم على تقنيات أكثر تقدما مثل على سبيل المثال مضان الليزر التي يسببها (ليف) التحليل الطيفي، وهومن الصعب تنفيذ بالقرب من السطح خلال تحليل الاجتثاث. على الرغم وقد تم بنجاح تطبيق ليف التحليل الطيفي للتحقيق في أعداد الأنواع دولة أرض الواقع في freestream البلازما 39،40، والقياسات ليف في الطبقة المتاخمة نادرة نسبيا. وذكرت قياسات شافي أمام عينة كربيد الساخنة التي Feigl 41 ولكن لم تجر حتى الآن طريقة لablating السطوح. سطح انحسار للablator يحظر مرات قياس طويلة في الطبقة الحدودية. وبصرف النظر عن هذا وأنظمة ليف مكلفة جدا نظرا لارتفاع عدد عناصر محددة.

تطور المكاني والزماني للمنتجات الاجتثاث هو من مصلحة لهذا المنشور، والتي يمكن أن تقوم نسبيا ببساطة عن طريق التحليل الطيفي الانبعاثات. ثلاثة دقة منخفضة، خدم الطيف مجموعة واسعة للكشف عن الذرات والجزيئات الحالية خلال اختبار الاجتثاث متعددة. مقاعد البدلاء التشخيص البصري يتألف من عدسة ضوء جمع، وهما مرآةالصورة، والألياف البصرية واحد لكل من الطيف الثلاثة. كان من المهم بالنسبة الإعداد البصري أن أي ضوء، إلا أن تركز العدسة، بلغ الألياف البصرية.

إذا كان يتم درس مادة pyrolyzing، وطرد العديد من المواد الهيدروكربونية من المواد، والتي هي منتشرة في كل مكان في لهيب الاحتراق، مثل على سبيل المثال الهيدروجين (سلسلة بالمر، α H و H β)، C 2 (نظام سوان)، CH، OH، NH 42. ويمكن الكشف عن هذه مع هذا الإعداد. عدة مجموعات بحثية تطبق مؤخرا الطيفي الانبعاثات لتحليل طبقة حدود رد الفعل حول تشكيل الجر المواد الدرع الواقي من الحرارة 19،22،43،44. ماكدونالد وآخرون. 22 الاختبارات الاجتثاث مسبقة التشكيل في إضافة بالحث البلازما. الإعداد يتألف من مشابهة منخفضة الدقة مطياف مع قرار الطيفي 1.16 نانومتر، وهي أقل من القرار التي قدمتها مطياف المستخدمة في الإعداد لدينا. من قسم التدريب والامتحانات الأوليةكان شكل ر عينة اسطوانة، التي تعاني من حافة الاجتثاث قوي، كما يدل على ذلك ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض خلال الاختبار. وبالتالي، فإن طبقة حالة الحرارية الحدود ربما تغيرت خلال التجربة، مما يعقد إجراء تحليل على متوسط ​​الفترة الزمنية. لم عينة الاختبار نصف كروية تستخدم لتحليلنا لا تواجه حافة الاجتثاث والحفاظ على شكله أثناء 30-90 ثانية وقت الاختبار 45.

هيرمان وآخرون. 44 توفير النتائج الأولى على اقتران الإشعاع الاجتثاث في منشأة arcjet magnetoplasmadynamic تطبيق التحليل الطيفي الانبعاثات. هذا هو من مصلحة عليا للمجتمع العلمي كما لم يكن هناك الكثير من التحقيق في مدة طويلة مرافق الاختبار الأرض حول هذا الموضوع. للأسف، والإبلاغ عن أي سلوك الزمني لانبعاث أمام المواد pyrolyzing. أطيافها في نطاق 300-800 نانومتر كان متصلا إلى الطيف الكامل خلال مرحلة ما بعد المعالجة من شرائح الطول الموجي 120 نانومتر، التي تشاnging مركز الطول الموجي من مقياس الطيف المستخدمة. وبالتالي، تم اتخاذ عدة أطياف مع مرور الوقت لتغطية النطاق الطيفي الكامل. وإذا كانت المادة الجر، CBCF التشكيل وAsterm في قضيتهم، شهدت السلوك الزمني القوي الناجم عن كلا عابرة طرد الغاز الانحلال الحراري وسطح الاجتثاث، وهذا قد تزوير الطيف متوسط ​​زمنيا.

ميزة واحدة من الطيف المعروضة في عملنا هي بالتالي النطاق الطيفي واسعة (200-900 نانومتر) مقارنة مع شق الطيفي، مما يؤدي عادة في نطاق الحد الأقصى 120 نيوتن متر عند أدنى القرار. النطاق الطيفي واسعة لوحظ مع اكتساب واحد يسمح للمراقبة من الأنواع المختلفة في الطبقة المتاخمة، والناتجة عن عمليات الاجتثاث والانحلال الحراري، مثل الأنواع الهيدروجين التي تحتوي على (OH، NH، CH، H)، والمساهمين الكربون (C، CN، C 2)، والملوثات (الصوديوم، K). ومع ذلك، إذا تحول نوع واحد وفقط هو من مصلحة، قد تكون عالية الدقة طولية الطيف تطبيق ورقةالعبوات الناسفة، التي يسمح كذلك مسح البيانات الشخصية الانبعاثات شعاعي كامل كما كان يؤديها هيرمان وآخرون. 44

تطبيقات البيانات التجريبية هي، على سبيل المثال، والمصادقة من جانب CFD رموز استجابة والمادية. وقد تم مؤخرا وضعت مدونة خط الركود مع حالة الحدود الجر في VKI لاستنساخ مجال تدفق على طول خط ركود الهيئات الكروية في VKI Plasmatron 46. وقد قدم مقارنة أولية من انبعاث طبقة حدود التجريبية مع التشكيلات المحاكاة في أماكن أخرى 45.

كان التحليل الميكروسكيل من العينات التي تم فحصها يدل على ظواهر تدهور مختلفة من ألياف الكربون في الهواء البلازما والنيتروجين. مورفولوجيا جليد لوحظ من الألياف ذاب مزيد من الدعم افتراض الاجتثاث التي تسيطر عليها ونشرها، كما اقترحت معدلات الركود متطابقة تقريبا تحت ضغط منخفض (15 هكتوبسكال). وعلاوة على ذلك، فإن abseالامتحانات التنافسية الوطنية من أكسدة المواد الداخلية يجادل ضد تدفق أو نشر الغازات طبقة الحدود الساخنة في عينة الاختبار التي يسهل اختراقها. هذه الأكسدة الداخلية، كما درس عدديا ونغ وآخرون لPICA 47، يمكن أن يؤدي إلى هيكل من ألياف أضعف، مما تسبب في عطل ميكانيكي من المواد، على سبيل المثال، في شكل تشظية 48،49. ولذلك، فإننا نقترح عالية تحليل الميكروسكيل العام جنبا إلى جنب مع اختبار عالية المحتوى الحراري للمواد الكربون المركب التي يسهل اختراقها لتطبيقات الدرع الواقي من الحرارة. والهدف النهائي من تحليل الميكروسكيل يكون التعرف على نشاطية الجوهرية من ألياف الكربون. الصور حل مكانيا يمكن أن تقدم مثل هذا التحليل، على سبيل المثال، من خلال التصوير المقطعي الصغيرة التي ينفذها بانيراي وآخرون. 50. وقد وضعت مدونة المادي على VKI استخدام متقطع تفريد Galerkin لمحاكاة مجمع استجابة الحرارية من المواد المركبة الجر في عمق 51 .هذا كود يستفيد من ثور جديدough مكتبة الفيزيائية والكيميائية الطفرة ++، وتوفير الخصائص الحرارية ونقل مخاليط الغاز، بما في ذلك حساب كل من معدل محدود الغاز المرحلة الكيمياء ومتجانسة / الغاز غير المتجانسة / الصلبة الغاز التوازن الكيمياء 52. ونحن نتوقع مقارنة البيانات التجريبية لدينا إلى رمز الاستجابة المادي، التي هي قادرة على تمثيل الدولة الميكروسكيل من وسط مسامي.

Acknowledgements

ويدعم هذا البحث من B. Helber من زمالة وكالة للإبداع من خلال العلوم والتكنولوجيا (IWT، ملف # 111529) في فلاندرز، والبحث من الشركة المصرية للاتصالات Magin من قبل مجلس البحوث الأوروبي ابتداء غرانت # 259354. ونحن نعترف السيد ب كولين لمساعدته القيمة كمشغل Plasmatron. نحن نعترف بامتنان قانون جورج وستيفن Ellacott لتوفير مواد الاختبار والدعم بالمعلومات.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats