Spektroskopisk Boundary Layer Undersøgelse under ablative Material Testing i 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

Den 6. august 2012, NASAs Mars Science Laboratory (MSL) mission med succes landede en rover på Mars 'overflade. Denne rover indeholder allerede et automatiseret system prøvetagning for kemi og mineralogi analyse. Ikke længe efter, den 12. november 2014 den robot Europæiske Rumorganisation lander Philae opnåede den første bløde landing på en komet. Disse eksempler viser, at de næste skridt bliver at identificere, udvikle og kvalificere nødvendige teknologier til at returnere Mars eller asteroide prøver sikkert til Jorden. I øjeblikket ablative materialer er den eneste mulighed for Thermal Protection System (TPS) af sådanne prøve retur missioner, der skærmer rumfartøjet fra den alvorlige opvarmning under hyperhastighed post. Kemisk og fysisk nedbrydning af ablators omdanne den termiske energi i massetab og recession, mens de resterende fast materiale isolerer køretøjet underkonstruktion 1,2. Med de metoder, præsenteres i hele denne protokol, vi ønskerat bidrage med nye eksperimentelle data til de igangværende bestræbelser på at forbedre varmeskjoldet pålideligheden ved at reducere design usikkerheder og udvikle nye termo-kemisk ablation modeller.

For at opnå en høj ydeevne karakteristika for de ablative Thermal Protection Material (TPM) ingeniører planetariske prober og rumfartøjer gøre brug af en bred vifte af kompositter 3,4. TPM er generelt består af en stiv forstadium og en påfyldning matrix, til at tjene som en pyrolyse, ablation, og isolerende materiale ved lav vægt med rimelige mekaniske egenskaber. Aktuelle eksempler på en ny familie af porøse letvægts ablators til high-speed entry missioner, fremstillet af kulfiber præforme imprægneret med phenolharpiks, er PICA (fenol imprægneret kul ablatorens) udviklet af NASA 5,6, og den europæiske ablatorens Asterm 7. Ud over de rumagenturer i samarbejde med industrien, flere forskergrupper i gang med en akademisk level til at fremstille og karakterisere nye letvægts ablators, se for eksempel referencer 2,8 - 12.

Under atmosfærisk indrejse, er en del af varmen flux kommer fra det chok opvarmede gas overføres inden varmeskjoldet og jomfruelige materialer transformeres følgende to mekanismer: Pyrolyse progressivt carbonizes phenolharpiksen til en lav densitet, porøse char, mister omkring 50% af dens masse producerer pyrolyse gasser ved fordampning. Pyrolysegasserne transporteres ud af materialet ved diffusion og trykforøgelsen forårsaget af deres nedbrydning. De udstødningsgas ind i grænselaget, hvilket giver en yderligere barriere for varmeveksling ved blæsning og undergår yderligere kemiske reaktioner. Brugen af ​​polymerer, såsom phenolharpikser til matrixen drager fordel af deres endoterm nedbrydning karakter, hvorved absorbere energi, og som tjener som et bindemiddel for de øvrige komponenter. Den anden transformation fænomener ablation af trækullet lag sammensat af den forkullede harpiks og de resterende kulfibre. Dette fremmes ved heterogene kemiske reaktioner, faseændring og mekanisk erosion, såsom afskalning, alle sammen fører til recession af materialet.

Trods tilgængelige flyvedata på materielle ydeevne i løbet tidligere missioner og indsats i materiale modellering 13,14, forudsigelse af varmen flux til rumfartøjet fortsat et kritisk problem. Ground test i plasma vind-tunneller er i øjeblikket den eneste overkommelig mulighed for kvalificering af den termiske beskyttelse materiale. Derudover er nye multi-skala materiale responsmodeller foreslået for at tage hensyn til den porøse mikrostruktur af den nye klasse af materialer 15,16. Disse modeller kræver omfattende eksperimentelle data for deres udvikling og validering.

Faciliteterne i brug for materiale karakterisering er mest almindeligt bue-opvarmet 17 </ sup> - 20 eller induktion koblede 21,22 fakler, som giver høj gas entalpier med luft som test gas, ideel til simulering af atmosfærisk genindtræden. Den subsoniske 1.2MW induktivt koblet plasma (ICP) torch af PlasmaTron facilitet på von Karman Institute (VKI) er i stand til at reproducere den aerothermodynamic miljøet af atmosfærisk post i stagnationspunktet grænselaget af en test objekt for en bred vifte af belastninger og varme flux 23-25. En omfattende numerisk ombygning procedure giver en detaljeret karakterisering af grænselaget og ekstrapolation af jord-testdata til fast re-entry flyvebetingelser baseret på den lokale Heat Transfer Simulation (LHTS) koncept 26,27.

Vi præsenterer en procedure for materiale karakterisering på en porøs carbon-fiber precursor i en velkarakteriseret plasmagas miljø repræsenterer genindførsel flyvning. Plasma freestream characterization er ikke en del af denne protokol, men kan findes andre steder 28. En omfattende forsøgsopstillingen i indgribende og ikke-indgribende teknikker blev integreret til in-situ-analyse af materialet udsættes for den varme plasma flow. Resultaterne af disse ablation eksperimenter blev allerede fremlagt og diskuteret i en anden reference 28. Denne protokol er beregnet til at give detaljerede oplysninger om de eksperimentelle teknikker, deres installation på anlægget, og procedurerne for dataanalyse. Målgrupper i denne publikation er mangfoldige: på den ene side er denne publikation beregnet til at give et bedre indblik i de eksperimentelle metoder og procedurer til at forbedre forståelsen af ​​anlæggets karakteristika for materielle kode udviklere og ingeniører af termiske materialer beskyttelse. På den anden side, er eksperimentalister af laboratorier med lignende faciliteter rettet til reproduktion og sammenligning af data, og at udvide databasen over ablative materiale reaktion på en bredere varme-flux og trykområde.

Protocol

1. Facility Forberedelse

  1. Definer sonde og prøve-indehaver opgave baseret på tilgængelighed og facility specifikationer (3 probe indehavere i dette arbejde) for at opnå bedste visninger på prøven fra uden for anlægget for optiske målinger i løbet af forsøget.
  2. Hvis der anvendes en pyrolyse materiale, anbringe prøven i en afkølet miljø (T <200 ° C) før prøvningen begynde at forhindre tidlig nedbrydning og udgasning.
  3. Brug tilgængelige probe holdere til varme flux målinger og trykmålinger af plasma flow, detaljer om varme flux og Pitot trykmålinger i PlasmaTron facilitet kan findes i henvisning 24.

2. Måleteknikker Setup

  1. Emission Spectrometer setup & tilpasning
    1. Identificer den ønskede spektrometer afhængigt af test- og det disponible apparater: Mulige opsætninger består af flere små, men bred spectral-range spektrometre til punktmålinger eller høj opløsning spektrografer forbundet til et 2D CCD-array muliggør rumligt opløst målinger (f.eks langs centerlinjen eller radius af plasma jet foran testprøverne).
    2. Afhængig af den valgte spektrometer konfiguration, fastlægge forstørrelse, der vil være påkrævet, og vælge den relevante linse som skitseret nedenfor:
      1. Overhold tre steder i 4 mm (forventet grænselag tykkelse) foran prøven ved spektrometre dermed intervaller 2 mm. Dette resulterer i en forstørrelse på m = 3 for det optiske system på grund af den minimale afstand mellem hver af fibrene er begrænset til 6 mm ved fiberkappe (4 mm på 12 mm til opnåelse af m = 3).
      2. Bestem den krævede objektivets brændvidde med forstørrelse og tynde linse ligning:
        m = s I / S o, med si og s s o + 1 / s i = 1 / f, med f være brændvidden af linsen.
        Bemærk: I denne protokol: s i = m x s o = 3 x 1000 mm = 3.000 mm, hvilket resulterer i f = 750 mm.
      3. Brug spejle hvis afstanden mellem objektivet og objekt er upraktisk stort (her 3.000 mm).
    3. Fjern jacketing af de optiske fibre for at bringe dem så tæt sammen som muligt og designe en bekvem monteringssystem. For eksempel bruger et enkelt tryk fit samling med fibrene liggende ved siden af ​​hinanden.
    4. Juster det optiske system (bestående af linse, spejle, optisk fiber ender) ved hjælp af en lodret og vandret linje laser: Bring alle komponenter til den samme højde (som prøven) og tilpasse linse vinkelret på prøvens stagnation linje (region i front af prøven næse på aksen af ​​prøven).
    5. Fokus den optiske vej ved at placere linsen på afstand s o fra prøven og den optiske fiber slutter ved afstand s jeg fra linsen. Belyse prøven stagnation point med en lampe og placere fiberenderne ved placeringen af ​​den bedste fokuserede billede.
      Bemærk: Oprettelse billedet af en blyant stil Mercury kalibrering lampe anbragt foran prøven kan hjælpe: forbinde en spektrometer til en optisk fiber og placere den bevægelige ende fiber, hvor den stærkeste kviksølv emission opstår.
    6. Når linsen-fiber-systemet er rettet ind, sende en laser punkt gennem fiberenderne (spektrometer side) og iagttage den fokuserede laseren på prøvesiden med et hvidt papirark for at bekræfte korrekte position og fokusering foran analyseprøven (før hver testkørsel).
    7. Undgå enhver emission, bortset fra at fra omdrejningspunktet i at komme ind den optiske fiber ender med enlukning af optiske vej med sort karton. Krydstjekke med en laserstråle at intet lys, bortset fra at fokuseres af linsen og reflekteres af spejlene når fiberenderne i det lukkede system. For at gøre dette, sende en laserstråle gennem de optiske fibre (spektrometer side), og kontroller, at der ikke udsendes af fiber ende lys er i stand til at nå linsen direkte.
  2. High-Speed ​​Camera (HSC)
    1. Brug et high-speed kamera til overfladen observation hvis tilgængelig at give mulighed for korte eksponeringstider for un-mættede billeder af den varme, ablation overflade.
    2. Observere prøven med HSC vinkelret på prøvens overflade. Brug prøven - linsesystem akse til vandret og lodret justering af kameraets optik. Sørg midten af ​​synsfeltet af HSC falder sammen med centrum af linsen og prøven stagnation point.
    3. Synkroniser HSC og emission spektrometre med en Digital Delay Generator (DDG). Trigger HSC optagelse med enenkelt spænding top fra DDG og udløse hvert spektrum optagelse med den ønskede frekvens (2 Hz) under forsøgene (afsnit 3).
  3. radiometri
    1. Brug en tofarvet pyrometer til observation af overfladetemperaturen i kombination med et kvartsvindue på testkammeret.
      Bemærk: Hvis der forventes meget høje måltemperaturer på over måleområdet af indretningen, overveje at nedsætte measureable udstråling med et passende filter eller et vindue af lavere transmittans.

3. Eksperimentel Testing

  1. Tag fotografier med en konventionel DSLR-kamera, måle dimensioner (ved hjælp af en kaliber reglen) og vægten af ​​den jomfruelige prøven før installation i testen kammer.
  2. Opsætning HSC software:
    1. Højt eksponeringstid (90 ms) at tilpasse og fokusere HSC inden forsøget med prøven på plads og tage en pre-test billede (post-trigger = 1).
    2. Lave omeksponeringstid for eksperimentet (2-10 psek), og sæt efter trigger til maksimum (til at gemme alle rammer), sat korrekt registrering sats (fps) til at dække hele forsøget (her 30-90 sek ved 100 fps).
    3. Set indledende f-nummer til f / 16.
  3. Indstil DDG til den ønskede gentagelse hastighed, hvormed spektre skal registreres af spektrometre (her: 2 Hz). Den første triggerimpuls vil starte købet HSC.
  4. Opsætning købet spektrometer software (integration tid τ exp: afhængig af emissionsintensitet, her: 20-150 ms, tilpasse under forsøget eventuelt gennemsnit = 1).
    1. Sørg det optiske system er stadig placeret korrekt inden forsøget med prøven på plads (se trin 2.1.6).
    2. Tag baggrundsbillede S bg med hver spektrometer og gemme det.
    3. Skift trigger til "ekstern software«, afhængigt af softwaren (f.eks SpectraSuite) (anden options er: "eksterne", og "synkronisere", med forskellige formål).
    4. Gem hvert spektrum, når der modtages en udløser puls.
  5. Installer en high definition (HD) kamera på ethvert optisk adgang, hvis det ønskes.
  6. Den udtagne prøve i systemet beskyttelse og støvsuge prøvekammer med en gruppe på tre roterende vane vakuumpumper og en rødder pumpe.
  7. Start plasma facilitet og bringe det til den ønskede prøvningsbetingelser i form af varmeflux og tryk ved at justere den elektriske effekt indgangs- og vakuumpumper. Brug varmeflux sonde og pitot sonde (trin 1.3) til at observere de opnåede forhold (1 MW / m 2 og 3 MW / m2 ved 15 hPa og 200 hPa).
  8. Start optagelse af HD-kamera og pyrometre.
  9. Tag en gratis-stream spektrum med alle spektrometre til rådighed (til kalibrering sammenligning) derefter lavere integration tid til at forhindre mætning (fra 200 ms til 50 ms).
  10. Trigger HSC og spektrometre via DDG (se trin 3.2 for opsætning) ved at trykke på 'trig "og indstilling af tilstanden fra" eksterne "til" intern ".
  11. Sprøjt prøven i plasma flow. Her er en pneumatisk mekanisme anvendes til at injicere prøven.
  12. Juster integration tid af spektrometre, hvis nødvendigt for at undgå mætning (ideelt set bør nu undgås enhver ændring af opsætning konfiguration).
  13. Juster åbning af HSC hvis nødvendigt for at forhindre sensor mætning.
  14. Fjern prøven efter den ønskede test tid (30 sek eller 90 sek) i systemet prøven beskyttelse og lukke plasma flow.
  15. Stop DDG og erhvervelse spektrometer, redde HSC billeder, og stoppe erhvervelse pyrometer.
    Bemærk: Lad pyrometer køre, hvis et materiale med høj varmekapacitet er testet til at overvåge cool-off fase (ikke nødvendig for CBCF præforme).
  16. Send laser point gennem optiske fibre ender (spektrometer side) og observere laser fokus med HSC, gemmer dette billede for at markere placeringen af ​​spektrometer.Gentag dette trin med hver spektrometer / optisk fiber.
    OBS: Sørg laser ikke er for stærk til at beskadige CCD array af kameraet. En afladning enhed foretrækkes. Alternativt kan der tages et billede af laserpegningen på et papirark foran den testede prøve.
  17. Placer en skakbræt ved positionen af ​​prøven og optage billede med HSC til kalibrering.
  18. Fjern prøven (fx ved hydraulisk udslyngning), tage vægt, tage fotografier, og opbevar i prøve opbevaring for at beskytte den sprøde char lag består af oxiderede fibre (ikke røre det frontale prøve overflade).

4. Spectrometer kalibrering

  1. Spectral kalibrering
    1. Placer en spektral kalibrering lampe i brændpunktet af linsen (fx en blyant stil Mercury lampe) til at bestemme bølgelængden kalibrering og fuld bredde halvt maksimum (FWHM) af det optiske system, kan findes oplysninger om disse skridt i literaTure 29.
  2. Intensitet kalibrering
    1. Udfør en intensitet kalibrering af hvert optisk system bestående af lys indsamlingen mekanismen (objektiv) og spektrometer effektivitet i W / (m 2 · sr · nm) mellem 350 nm og 900 nm. Gør dette ved at placere en wolfram-bånd lampe (OSRAM WI 17G) i fokus i hver kollektion optik I prøvekammeret. Optag kalibreringen lampens spektrum S cal, exp og få kalibreringsfaktoren C ved:
      C = S cal, th / (S cal, exp - S bg, cal) x τ cal,
      med den teoretiske spektrale respons af kalibreringen lampe (leveret af producenten) S cal, th, det målte signal af kalibreringen lampe S cal, exp, baggrunden S bg, cal, og integrationen tid under kalibreringen målingen τ cal </ Em>.

5. Databehandling

  1. Surface recession sats og spektrometer sondering placering (er):
    1. Overhold prøve injektion og udslyngning gange på HSC videofilen for korrekt testtid estimering.
    2. Overhold pixel placering af prøven stagnation punkt indsprøjtning fra HSC videofil.
    3. Kalibrer HSC forstørrelse ved at eksportere billede taget i trin 3.17 (for eksempel, .tiff format) og tælle pixels i målingen regionen spænder flere skakbræt firkanter. Beregne korrelation pixels: mm (få en mere detaljeret karakterisering af de interne og eksterne kamera parametre ved hjælp af kameraet kalibrering værktøjskassen i Matlab, hvis det ønskes).
    4. Eksporter billede (r) taget i trin 3.16 (for eksempel, .tiff format) og finde pixels af spektrometer sondering placering (er) som lyse pletter på billedet, hvilket indikerer x- og y-position.
    5. Eksport HSC billeder (f.eks Multitiff-fORMAT) og udfører kantopdagelse (f.eks ved hjælp af Matlab bygge-funktion "kant") til at definere stagnation punktet på hver gang trin i (xi og y i).
    6. Fratræk positionen af overfladen (trin 5.1.5) fra positionen af spektrometeret probing placering (er) (trin 5.1.4) for hver gang trin for at få deres afstande d (t) fra overfladen.
  2. Emissionsspektre forarbejdning (alle efterbehandling kan for eksempel udføres inden Matlab).
    1. Eksporter alle optagede spektrum filer (bølgelængde vs intensitet) og kalibrere intensiteten respons af hver registreret spektrum af:
      S exp, cal = (S exp - S bg) / τ exp x C,
      med den eksperimentelt opnåede spektrum S exp, baggrunden fil S bg (trin 3.4.2), den eksperimentelle integrationstid64; exp og kalibreringsfaktoren C bestemmes under trin 4.2.1.
    2. Hvis der anvendes flere spektrometre, vurdere gyldigheden af kalibreringen koefficient C ved hjælp af de freestream spektre taget under trin 3.9. Plot alle kalibreret gratis-stream spektre sammen; deres svar bør være næsten identisk fordi spektrometer indsamling mængder i plasma flow de er meget tæt på hinanden.
    3. Åbn filen med bølgelængden vektor af den kalibrerede spektre (f.eks dobbeltklikke på .mat filen i Matlab) og identificere rækken indekser svarer til bølgelængder λ 1 = 370 nm og λ 2 = 390 nm (Alternativt kan du bruge "find "kommando i Matlab).
      Note: For pyrolyse ablators phenol stammer arter er også tilgængelige, såsom C2, CH, H, NH, OH.
    4. Integrer emission signal af interesse (her KN violet emission, 370-390 nm) mellem de to indices (X 1 og λ 2) fra trin 5.2.3 for hver gang trin (I A 1- λ 2 (t)).
    5. Plot med software af valg den spektralt integreret emission (I A 1- λ 2 (t)) af hvert spektrometer (trin 5.2.4) som en funktion af de spektrometer afstande fra overfladen (trin 5.1.6) (figur 2) ( for eksempel plot (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3), »x«)).
    6. For bedre fortolkning af resultaterne, udføre et polynomium af data og plot resultaterne (fx ved hjælp af MATLAB s polyfit kommando:
      [P, ErrorEst] = polyfit (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3,9);
      [Passe, delta] = polyval (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); plot (d, fit))
      Bemærk: Afhængigt af placeringen og opløsning af den indspillede spektre, kan bestemmes exciterede tilstande temperatur af molekyler. Brug en stråling simulation værktøj til at passe numerisk spektre til eksperimentel spektre af KN violet og C 2 svane-systemer. Flere online værktøjer omfatter spektrale montering værktøjer til at opnå translationel, roterende, vibrations- og elektroniske temperaturer 30.

6. Post-test Sample Inspektion

  1. Scanning Electron Microscopy (SEM) for at studere kulfibre & char lag nedbrydning
    Bemærk: På grund af deres høje elektriske ledningsevne, ingen yderligere behandling er nødvendig i tilfælde af fuldt forkullede carbonprøver. Opladning og forvrængning af billederne vil opstå, hvis jomfru phenolharpiks er til stede i prøven.
    1. Hvis det er muligt, skal du placere den fulde stikprøve i vakuum kammer SEM-enheden til at undersøge char lag undgå ødelæggelse af overfladen.
      Bemærk: En detaljeret beskrivelse af SEM og X-Ray Mikroanalyse anvendt på kompositmaterialer er givet i litteraturen 31 og ikke indeholdt i denne protokol.
    2. Brug en jomfru (ikke testet) materialeprøve som reference for at studere dimensioner kulfiber:
      1. Vælg en enkelt, godt observerbar fiber med SEM-systemet.
      2. Skøn jomfru tykkelse kulfiber og fiber længde med de værktøjer, som SEM systemsoftware i henhold til producentens anvisninger. Søge For eksempel i værktøjslinjen for "Måling" og vælg "Ruler", og der trykkes på start- og slutpunkter målet objekt (fx start- og slutpunkt for en enkelt fiber).
        Bemærk: Dette frembringer en forbindelseslinje segment og afstanden vises. Successivt udføre denne operation efter behov.
    3. Identificere de fiber nedbrydningsmekanismer på den testede prøve, for eksempel en nål form, foreslår en oxygendiffusion-begrænset ablation regime 28, hvorimod fordybninger i fibre og lokale angreb kan skyldes en reaktion kontrolleret regime og / eller lokal aktive sites grund urenheder i materialet.
    4. Skær skørt materiale under anvendelse af en skalpel. Undersøg den grundige nedbrydning og estimere dybden, hvor fibrene er tyndet ved at sammenligne tykkelsen af ​​ablaterede fibre til den nye fibre tykkelse (trin 6.1.2.2).
    5. Detect mulig sod dannelse og carbon deposition på overfladen på pyrolyse ablators, kan dette blive forstærket, hvis prøven blev testet i et iltfattigt atmosfære (f.eks nitrogen eller argon).
    6. Brug Energy-dispersiv røntgenanalyse (EDX) 31 sammen med SEM at detektere og identificere urenhederne i det materiale, der kan føre til øget reaktionsevne (fx calcium og kalium).

Representative Results

Den åbent tilgængelige bulkmateriale var en meget porøs carbon-bundet kulfiber præform (CBCF), der består af en kort fiber isolering stammer fra rayon (cellulosefibre fremstillet fra oprenset cellulose). De hakkede, diskontinuerte jomfruelige carbonfibre er indbyrdes forbundet i en matrix ved forkoksning af phenolharpiks. Under denne proces fibrene bliver orienteret og mikrostruktur og egenskaber er anisotrope. Materialet bliver derefter vakuum-behandlet ved temperaturer over 2.300 K at sikre dens temperaturstabilitet og fraværet af afgasning. Materialet blev bearbejdet internt til halvkugleformede (HS) prøver af radius 25 mm med 50 mm i længden. Prøverne har en initial densitet på ca. 180 kg / m3 med en indledende porøsitet på 90%.

Den VKI PlasmaTron facilitet er blevet brugt til alle de forsøg med reproduktion af aero-thermodynamic miljø for re-entry plasma flows, hvilket skaber en høj enthalpi, stærkt dissocierede subsonisk gas flow. Gassen opvarmes ved induktion via en spole, hvilket skaber en høj renhed plasma flow. En oversigt over testkammeret og en skematisk afbildning af det eksperimentelle instrumentering til in-situ ablation målinger kan findes i fig. 1 (a) og 1 (b). Eksperimentelle testbetingelser og samlede resultater, såsom gennemsnitlig recession sats opnået fra HSC billeddannelse og massetab er anført i tabel 1. Vi anvendte en to-farvet pyrometer, der anvender en bred (0,75-1,1 um) og smalle (0,95-1,1 um) spektrale bånd for temperaturen bestemmelse ved 1 Hz erhvervelse sats (1,300-3,300 K). Brug to smalle bølgelængdebånd og under antagelse af en emissivitet er uafhængig af bølgelængden, kan overfladetemperaturen estimeres uden kendskab til dens emissivitet. Den pyrometer blev påpeget og fokuseret i stagnation område af srigelig gennem en 1 cm tyk kvartsvindue, i en vinkel på 35 ° i forhold til stagnation linje. Instrumentet blev kalibreret op til 3300 K af et organ kilde sort.

Overfladen recession blev målt ved HSC med en opløsning på 0,2 mm. Det er klart, at caliper rule recession målinger generelt resulteret i større værdier end dem, der udføres af HSC billeddannelse, med en forskel i total recession mellem de to metoder, der spænder fra 0,45 til 0,9mM. Den højeste usikkerhed for denne måling blev indført ved at komprimere sprøde char lag med kaliberen reglen. Recession satser i luften varierede mellem 44,6 og 58,4 um / sek. Det er endvidere klart, at HSC-bestemt recession satser i luft plasma ikke afviger meget, sandsynligvis på grund af en diffusion-kontrollerede ablation regime. I dette regime, overfladetemperaturen er høj nok til at forårsage fuldstændigt forbrug af tilgængeligt oxygen ved overfladen, og consequently, er ablation begrænset af diffusionen af ilt gennem grænselaget 32,33. Omvendt i en oxidationsreaktion kontrolleret miljø, oxygen diffunderer hurtigere gennem et grænselag, end det forbruges ved overfladen og ablation stiger med overfladetemperatur. Recession satserne for CBCF materiale i høj entalpi miljøer også rapporteret af MacDonald et al. (56 um / sek) 22 og Löhle et al. (50 um / s) 34. Disse værdier ligger mellem vores målinger, selv om MacDonald et al. anvendes en cylindrisk testprøve form og Löhle et al. en testprøve indlejret i en vandkølet probe.

Tre lav opløsning spektrometre blev anvendt til observation af gasfase. Fordelen ved dette instrument er en hurtig scanning af en bred spektralområde (200 - 1000 nm), der giver mulighed for påvisning af flere molekyler og atomer, til stede i ablation-analyse.

Integreret KN intensiteter emission, afbildes over afstand fra ablation overflade viser meget god aftale i forhold til hinanden (fig. 2). Dataene er mærket i henhold til deres respektive positioner fra prøvens overflade med "tæt", "middle" og "langt". De tre spektrometre målte samme KN violet emissionsintensiteten når den faste optiske vej opsamlet lys fra samme afstand foran overfladen. De integrerede intensiteter af alle tre spektrometre næsten sammenfaldende 3.4 mm før ablation overflade. Begge sager viser, at den registrerede KN violet emission toppede lige foran af prøven, inden den faldt gennem grænselaget. Fra disse resultater, vi udlede, at materialet afbrænding i luft under hele testtid var meget stabil, og at det optagne emission signal faldt omkring 90% inden for 5 mm frontal af overfladen. KN violeteksperimentelle spektre blev derefter anvendt til sammenligning med simuleret spektre for at opnå gastemperaturer. De syntetiske spektre blev opnået under anvendelse SPECAIR 2.2, under forudsætning af en Boltzmann fordeling af exciterede niveauer og en mindste kvadraters tilpasning procedure blev anvendt til at estimere translationelle-roterende temperaturer T rot og vibrationelle-elektroniske temperaturer T vib (fig. 3). To betingelser, ved lav (a) og høj (b) tryk er fremlagt, med spektrene taget tæt på væggen i grænselaget. De estimerede temperaturer gav en høj afvigelse fra termisk ligevægt ved lavt tryk (fig. 3 (a)). Den samme analyse blev udført i flere afstande fra overfladen, bedre illustrerer afvigelse fra termisk ligevægt tæt på væggen ved lavt tryk (fig. 4 (a), 15 hPa), ækvilibrering gennem grænselaget. De udtagne temperaturer var i størrelsesordenen 8.200 K for TrOT og 21.000 K til T vib tæt på væggen, med T vib aftager mod 8.200 K gennem grænselaget. Dette er i modsætning til den ligevægtstilstand hele grænselaget ved højere tryk (fig. 4 (b), 200 hPa). Temperaturen grænser var baseret på en usikkerhed på 10% i forhold til spektrometer emissionsintensitet, tillader en teoretisk spektrum variation inden for disse grænser for montering procedure.

Ved lavt tryk, er excitation overførsel mellem molekyler reduceret på grund af færre kollisioner, hvilket kan forklare den ækvilibrering virkning mod grænselaget kant. Vi antager en stærk indflydelse af molekylært kvælstof ved lave plasma entalpier på KN produktion, efterfulgt af vibrationelle excitation af KN. Dissociativ adsorption af stærkt vibrationally ophidset nitrogen antages at skabe reaktive steder på overfladen, der fører til KN produktion. Boubertog Vervisch beskrive denne proces i en nitrogen / carbon-dioxid plasma ved lavt tryk 35. Denne proces kan skabe en pulje af nitrogenatomer på overfladen, med exoterme reaktioner, der fører til overskydende energi, der omdannes til rotationsenergi og vibrationelle excitation af KN.

Mikrografer bevist, at carbon-oxidation i luft plasma førte til en istap formen af de ablaterede fibre med en oxidation dybde på omkring 0,2 mm (fig. 5 (a)). Denne form for istap forme grundet ablation er almindeligt rapporteret i litteraturen for carbon-carbon kompositmaterialer 36 - 38. Den istap form (åbningsvinkel) afhænger af reaktions-diffusion konkurrence ved overfladen af ​​det porøse materiale, og derfor varierer med oxygen diffusion. antages denne længde svarer til den gennemsnitlige dybde af oxygen diffusion. Den istap form derudover bekræfter diffusion-kontrollerede ablation. I modsætning hertil reaktionbegrænset ablation ville tillade ilt at flyde ind i dybere fiberstrukturen, producerer lokal grubetæring af carbonfibrene.

Bright gnister blev observeret under nogle ablation test (fig. 5 (b)), som kan være forårsaget af varme fiber klynger aftagning fra overfladen. Ablation i kvælstof plasma førte til meget nedbrudte fibre langs deres overflade, hvilket førte til en langsom tilbagegang af materialet ved nitridation (fig. 5 (c)). Som reaktiviteten af ​​carbon til nitrogen er langt mindre end det, oxygen, nitrogen er i stand til at diffundere dybere ind i materialet, hvilket fører til nedbrydning langs hele fiberen.

figur 1
Figur 1. PlasmaTron og overblik forsøgsopstillingen. (A) VKI PlasmaTron test kammer oversigt angiver prøven uden than retentionssystem, varme flux og tryk sonder, og optiske adgange til radiometre, HSC og spektrometer optik. (B) Skematisk af forsøgsopstillingen. Klik her for at se en større version af dette tal.

Tabel 1
Tabel 1. PlasmaTron testbetingelser og eksperimentelle resultater af kulstof præforme prøver. Test referenceundersøgelser, test gas, statisk tryk p s, dynamisk tryk p d, generator magt P, betyder kolde væg varme flux q cw, prøven eksponeringstid τ, mener overfladetemperatur T s, recession rate r / τ, og massetab sats m / τ.


Figur 2. Rumlig CN violet emission i grænselaget Emission profiler registreret af tre tilstødende spektrometre under præforme ablation i luft sammenfaldende godt, når de faste optiske veje indsamlede lys fra samme afstand foran ablation overflade:. Stabilt materiale burn-off, og reaktiv grænselaget størrelse ~ 5 mm frontal af overfladen (betingelse A1a). klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. KN violet temperaturer anslået fra spektral montering metode. Mindste kvadraters metode for bedste montering af KN violet spektre beregnet med SPECAIR 2,2 forudsat translationel omdrift og vibrationelle-elektronisk temperatures T rot og T vib: (a) Tilstand A1a: T rot = 8.240 K ± 400 K, T vib = 21.600 K ± 1.700 K, T LTE = 12.600 K ± 500 K (ligevægt simulation T LTE angivet til sammenligning); (B) Betingelse A1a: T rot = 6880 K ± 200 K, T vib = 7120 K ± 180 K. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. KN violet temperatur profiler i grænselaget. Translationel-rotations og vibrationelle-elektroniske temperaturer T rot og T vib fra simuleret, monteret KN violet spektreopgjort med en stråling simuleringsværktøj på fire afstande fra ablation overflade tyder afvigelse fra en termisk ligevægt tilstand tæt på væggen ved et lavt tryk på 15 hPa (a), men denne ligevægt i hele grænselaget ved 200 hPa (b). Temperaturen grænser [K] var baseret på en usikkerhed på 10% i forhold til spektrometer emissionsintensitet, tillader en teoretisk spektrum variation inden for disse grænser for montering procedure. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. scanningselektronmikrografer efter luft ablation (a), herunder in-situ fotografi (b), og mikrografer efter kvælstof ablation (c). (A) Indlæg værelser med ablation mikrografier taget vedfrontal overflade tæt på stilstandspunkt foreliggende udtynding af carbonfibre grund af oxidation fra fiberspidsen, hvilket fører til istap form, dybden af ​​ilt diffusion er tæt på 200 um (diffusionsbegrænset ablation); (B) Foto taget under ablation test af en cylindrisk prøve (eksponeringstid: 1/200 sek) illustrerer lyse gnister; (C) Stærk korrosion blev observeret i kvælstof langs hele fiber længde. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Denne protokol beskriver procedurer for materialet karakterisering reagere termisk beskyttelse materialer i højenthalpi strømme og præsenterer eksempler opnåede resultater på et ikke-pyrolyse, ablation carbon-bundet kulfiber (CBCF) forløber. Det CBCF materiale er meget lig den stive forløber for low-density kulstof-phenol ablators såsom PICA og Asterm, som er de ultimative mål for de præsenterede teknikker. De vigtigste fordele ved den CBCF materiale er dets lave pris og åben tilgængelighed, eftersom den ikke er begrænset til eksportkontrolreglerne licenser. Den blev valgt til præsentation af forfatternes tilgang som andre forskningsinstitutioner nemt kan få rå CBCF materiale. Med denne publikation, forfatterne forestiller definitionen på en forholdsvis enkel standard procedure, lette sammenligning med andre laboratorier.

De centrale teknikker er en ikke-påtrængende metode til at spore materialet recession og sondering af than kemi i den reaktive grænselaget ved emission spektroskopi. Anvendelse af high-speed billedbehandling er en enkel teknik, men pleje skal tages med tilpasningen af ​​kameraet og den forventede overflade udstråling. En kort eksponeringstid i størrelsesordenen nogle få mikrosekunder bidrager til at undgå mætning af kameraets sensor.

Et par fotogrammetriske teknikker til ablatoren recession er rapporteret i litteraturen, for eksempel ved Löhle et al. 34. De er overlegne i forhold til vores teknik grund billeddannelse af hele ablatoren overfladen ved højere opløsning. Forfatterne anfører en opløsning på 21 um, som er næsten en størrelsesorden højere end for den teknik præsenteres i vores arbejde. Men installationen af ​​fotogrammetriske opsætning, kalibrering og efterbehandling er tidkrævende (forfatterne rapport 1 dag / test), og to optiske porte er påkrævet, hvis to uafhængige kameraer skal anvendes. Test kampagner, der kræver en høj nsortjord af prøver gør denne ansøgning meget dyrt. Teknikken præsenteres i denne protokol er nemt opsætte og efterbehandling kan udføres med eksisterende numeriske værktøjer. Vores teknik mødte målet målsætning om at følge overfladen recession in situ. Nøjagtigheden af ​​vores teknik kunne øges yderligere med en højere kamera opløsning eller højere brændvidde af det optiske system. Men hvis materialet analyse kræver høj rumlig opløsning af overflade detaljer, foreslår vi ansættelse af fotogrammetriske teknikker.

Care skal tages med justering og kalibrering af det optiske system til optisk emission spektroskopi (OES). Denne teknik er begrænset til line-of-sight målinger og den sonderende er begrænset til at elektronisk exciterede atomer og molekyler. Men sin enkelhed og højt afkast af investeringen stadig regulerer over mere komplicerede teknikker såsom for eksempel laser-induceret fluorescens (LIF) spektroskopi, som ervanskeligt at udføre nær overfladen under ablation analyse. Selvom LIF spektroskopi held har været anvendt til undersøgelse af jorden statslige populationer af arter i plasmaet freestream 39,40, LIF målinger i grænselaget er relativt sjældne. Målinger af SiO foran en varm SiC prøve rapporteres af Feigl 41 men er ikke udført endnu for ablation overflader. Den vigende overflade af ablatoren forbyder lange måletider i grænselaget. Bortset fra dette er LIF systemer meget dyre på grund af det høje antal specifikke komponenter.

Den rumlige og tidsmæssige udvikling ablation produkter er af interesse for denne publikation, som kan relativt enkelt udføres af emissionsspektroskopi. Tre lav opløsning, bredspektrede spektrometre tjente til at afsløre flere atomer og molekyler til stede under ablation test. Den optiske diagnostiske bænk bestod af en lys samlelinse, to spejls, og en optisk fiber for hver af de tre spektrometre. Det var vigtigt for den optiske opstilling, at intet lys, bortset fra at fokuseret af linsen, nåede de optiske fibre.

Hvis en pyrolyse materialet bliver undersøgt, er talrige carbonhydrider udstødes af stoffet, som er allestedsnærværende i forbrændingsprocesser flammer, såsom for eksempel Hydrogen (balmerserien, H α og H β), C2 (Swan-system), CH, OH, NH 42. Disse kan detekteres med denne opsætning. Flere forskergrupper er for nylig anvender emission spektroskopi til at analysere den reaktive grænselaget danner omkring ablative varme skjold materialer 19,22,43,44. MacDonald et al. 22 foruddannede ablation test i en induktivt koblet plasma. Opsætningen bestod af en lignende lav opløsning spektrometer med en spektral opløsning på 1,16 nm, hvilket er lavere end den opløsning, som den spektrometer anvendes til vores setup. Deres indledende test prøve form var en cylinder, i kraftig kant ablation, hvilket fremgår af den stigende overfladetemperatur under testen. Derfor grænselaget termokemiske tilstand sandsynligvis ændres under eksperimentet, hvilket komplicerer en tidsgennemsnitlig analyse. Den halvkugleformede stikprøve brugt til vores analyse ikke opleve kant ablation og fastholdt sin form under 30-90 sek testtid 45.

Hermann et al. 44 giver de første resultater på stråling-ablation kobling i en magnetoplasmadynamic arcjet facilitet anvender emission spektroskopi. Dette er af stor interesse for det videnskabelige samfund, da der ikke har været megen efterforskning i langvarige jord-testfaciliteter om dette emne. Desværre er ingen tidsmæssig opførsel af emissionen foran pyrolyse materiale rapporteret. Deres spektre i området 300-800 nm blev sammenkædet til et fuldt spektrum i efterbehandlingen fra 120 nm bølgelængde segmenter, ved changing centrum-bølgelængden af ​​det anvendte spektrograf. Derfor blev adskillige spektre taget over tid for at dække hele spektralområde. Hvis ablativ materiale, CBCF præform og Asterm i deres tilfælde oplevede en stærk temporale adfærd forårsaget af både forbigående pyrolysegas udstødning og overflade ablation, kan dette forfalske tidsmæssigt gennemsnit spektrum.

En fordel ved den spektrograf præsenteret i vores arbejde er således den brede spektrale område (200-900 nm) sammenlignet med slids spektrografer, hvilket resulterer sædvanligvis i en maksimal rækkevidde på 120 nm ved laveste opløsning. Den brede spektrale område observeret med en enkelt erhvervelse tillader observation af forskellige arter i grænselaget, der følger af ablation og pyrolyse processer, såsom brint indeholdende arter (OH, NH, CH, H), carbon bidragydere (C, CN, C 2), og kontaminanter (Na, Ca, K). Men hvis kun en enkelt art overgang er af interesse, kan en høj opløsning slids-spektrograf være applIED, hvilket yderligere tillader scanning af den fulde radiale emissionsprofil som blev udført af Hermann et al. 44

Anvendelser af de eksperimentelle data er for eksempel validering af koblet CFD og materielle svarkoder. En stagnation-line kode med ablative randbetingelse er for nylig blevet udviklet på VKI til reproduktion af flowet feltet langs stagnation linje af sfæriske organer i VKI PlasmaTron 46. En foreløbig sammenligning af den eksperimentelle grænselaget emission med simulerede profiler blev præsenteret andre steder 45.

Mikroskala analyse af testede prøver tydede på forskellige nedbrydningsfænomener af carbonfibrene i luft og nitrogen plasma. Den observerede istap morfologi ablaterede fibre understøttes yderligere antagelsen om diffusion-kontrollerede ablation, som blev foreslået af de næsten identiske recession satser på lavt tryk (15 hPa). Endvidere Absence intern materiale oxidation argumenterer mod indstrømning eller diffusion af varme grænse lag gasser i porøse prøven. Sådan intern oxidation, som studerede numerisk ved Weng et al. For PICA 47, kan føre til en svagere fiberstruktur, forårsager mekanisk svigt af materialet, for eksempel i form af afskalning 48,49. Derfor vi stærkt foreslå en generel mikroskala analyse sammen med en høj-enthalpi test af porøse kulstof-komposit materialer til varme skjold applikationer. Det endelige mål for en mikroskala analyse ville være at identificere de kulfiber iboende reaktiviteter. Rumligt løst billeder kan rykke sådan analyse, for eksempel ved mikro-tomografi, som udføres af Panerai et al. 50. Et materiale kode blev udviklet på VKI hjælp diskontinuerlige Galerkin diskretisering at simulere komplekse dybdegående termisk reaktion ablative kompositmaterialer 51 .Denne kode gør brug af den nye thordybdegående fysisk-kemisk bibliotek Mutation ++, giver de termiske og transport egenskaber af gasblandinger, herunder beregning af både finite-rate gas-fase kemi og homogen / heterogen gas / gas-solid ligevægt kemi 52. Vi forestiller sammenligning af vore eksperimentelle data til materialet svarkode, der er i stand til at repræsentere mikroskala tilstand af det porøse medium.

Acknowledgements

Forskningen af ​​B. Helber understøttes af et fællesskab af agenturet for Innovation af Videnskab og Teknologi (IWT, dossier # 111.529) i Flandern, og forskning af TE Magin som Det Europæiske Forskningsråd Starting Grant # 259.354. Vi anerkender Mr. P. Collin for hans værdifulde hjælp som PlasmaTron operatør. Vi takker George Law og Stephen Ellacott for at give testmaterialet og informativ støtte.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Carbon-bonded carbon fiber preform MERSEN (CALCARB) CBCF 18-2000 sample shape was a hemisphere of 25 mm radius attached to a 25 mm cylinder
UV-VIS-NIR Spectrometer Ocean Optics  HR4000
Optical fiber Ocean Optics QP600-2-SR/BX, modified fiber cladding for fixation
SpectraSuite Ocean Optics 
Lens, plano-convex Ocean Optics LA4745, 750 mm focal length
Two-color pyrometer Raytek Marathon Series MR1SC
Digital Delay Generator Stanford Research Systems DG535
High-speed camera  Vision Research  Vision Research Phantom 7.1

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Video Stats