Emissão espectroscópica Boundary Investigation Camada durante ablativo Teste de material em Plasmatron

Resumo

Development of new ablative materials and their numerical modeling requires extensive experimental investigation. This protocol describes procedures for material response characterization in plasma flows with the core techniques being non-intrusive methods to track the material recession along with the chemistry in the reactive boundary layer by emission spectroscopy.

Resumo

Ablative Thermal Protection Systems (TPS) allowed the first humans to safely return to Earth from the moon and are still considered as the only solution for future high-speed reentry missions. But despite the advancements made since Apollo, heat flux prediction remains an imperfect science and engineers resort to safety factors to determine the TPS thickness. This goes at the expense of embarked payload, hampering, for example, sample return missions.

Ground testing in plasma wind-tunnels is currently the only affordable possibility for both material qualification and validation of material response codes. The subsonic 1.2MW Inductively Coupled Plasmatron facility at the von Karman Institute for Fluid Dynamics is able to reproduce a wide range of reentry environments. This protocol describes a procedure for the study of the gas/surface interaction on ablative materials in high enthalpy flows and presents sample results of a non-pyrolyzing, ablating carbon fiber precursor. With this publication, the authors envisage the definition of a standard procedure, facilitating comparison with other laboratories and contributing to ongoing efforts to improve heat shield reliability and reduce design uncertainties.

The described core techniques are non-intrusive methods to track the material recession with a high-speed camera along with the chemistry in the reactive boundary layer, probed by emission spectroscopy. Although optical emission spectroscopy is limited to line-of-sight measurements and is further constrained to electronically excited atoms and molecules, its simplicity and broad applicability still make it the technique of choice for analysis of the reactive boundary layer. Recession of the ablating sample further requires that the distance of the measurement location with respect to the surface is known at all times during the experiment. Calibration of the optical system of the applied three spectrometers allowed quantitative comparison. At the fiber scale, results from a post-test microscopy analysis are presented.

Introdução

Em 6 de agosto de 2012, Mars Science Laboratory da NASA (MSL) missão pousou com sucesso um rover na superfície marciana. Este rover já inclui um sistema de coleta de amostras automatizado para análise química e mineralogia. Pouco tempo depois, em 12 de Novembro de 2014, a robótica lander Agência Espacial Europeia Philae alcançado o primeiro pouso suave em um cometa. Esses exemplos indicam que os próximos passos serão a identificar, desenvolver e qualificar as tecnologias necessárias para a devolução de amostras marcianas ou asteróide com segurança à Terra. Atualmente, materiais ablativos são a única opção para o sistema de proteção térmica (TPS) de tais missões de retorno da amostra, que protege a nave espacial do aquecimento grave durante a entrada de hipervelocidade. Decomposição química e física de ablators transformar a energia térmica em perda de massa e da recessão, enquanto que o material sólido remanescente isola a ^1,2 subestrutura veículo. Com os métodos apresentados ao longo deste protocolo, queremospara contribuir com novos dados experimentais para os esforços em curso para melhorar a confiabilidade escudo térmico ao reduzir as incertezas de design e desenvolvimento de novos modelos de ablação termoquímicos.

Para alcançar características de alto desempenho dos engenheiros ablativos Protecção térmica do material (TPM) de sondas planetárias e veículos espaciais fazer uso de uma ampla gama de compostos ^3,4. TPM são geralmente compostas de um precursor de uma matriz rígida e enchimento, para servir como uma pirólise, ablação, e material isolante em baixo peso com propriedades mecânicas razoáveis. Exemplos atuais de uma nova família de ablators leves porosos para missões de entrada de alta velocidade, feitas de uma pré-forma de fibra de carbono impregnado com resina fenólica, são PICA (fenólica impregnada ablator carbono) desenvolvido pela NASA ^5,6, eo ablator Europeia Asterm ^7. Além das agências espaciais em colaboração com a indústria, vários grupos de pesquisa iniciado em um lev acadêmicael para fabricar e caracterizar novos ablators leves, ver, por exemplo referente ao ^{2,8 - 12.}

Durante a entrada atmosférica, parte do fluxo de calor proveniente do gás aquecido choque é transferida dentro do escudo de calor eo material virgem é transformada na sequência de dois mecanismos: Pirólise carboniza progressivamente a resina fenólica em uma baixa densidade, char porosa, perdendo cerca de 50% a sua produção em massa de gases de pirólise por vaporização. Os gases de pirólise são transportados para fora do material por difusão e o aumento de pressão provocado pela sua decomposição. Eles escape para o interior da camada limite, proporcionando uma barreira adicional para a troca de calor por sopragem e sofrem reacções químicas adicionais. A utilização de polímeros, tais como resinas fenólicas para a matriz aproveitou a sua degradação natureza endotérmica, absorvendo assim a energia, e que serve como um ligante para os outros componentes. O segundo fenômeno de transformaçãoé a ablação da camada de carvão animal, composto de resina carbonizada e as restantes fibras de carbono. Este é promovida por meio de reacções químicas heterogéneos, mudança de fase e a erosão mecânica, tais como a fragmentação e desprendimento, por completo levando a recessão do material.

Apesar dos dados disponíveis sobre o vôo no desempenho do material durante as missões passadas, e os esforços em modelagem material de ^13,14, a previsão do fluxo de calor para a sonda continua a ser um problema crítico. testes de terreno no plasma vento túneis é atualmente a única opção acessível para a qualificação do material de proteção térmica. Além disso, os novos modelos de resposta material multi-escala são propostos a fim de tomar em conta a micro-estrutura porosa de uma nova classe de materiais ^15,16. Esses modelos requerem extensos dados experimentais para o seu desenvolvimento e validação.

As instalações em uso para caracterização de materiais são mais comumente arco-aquecido ^{17 <}/ sup> ^{- 20} ou indução acoplado ^21,22 tochas, que fornecem entalpias de gás elevados com o ar como gás de teste, ideal para a simulação de reentrada atmosférica. O 1.2MW subsónico Plasma Acoplado Indutivamente (ICP) tocha da instalação de Plasmatron no Instituto de Von Karman (VKI) é capaz de reproduzir o ambiente aerotermodinâmicas de entrada atmosférica na camada limite ponto de estagnação de um objecto de teste para uma vasta gama de pressões e fluxos de calor ^23-25. Um procedimento de reconstrução numérica extensa oferece uma caracterização detalhada da camada limite e extrapolação de dados de teste de solo para as condições de voo re-entrada reais com base na simulação de transferência de calor local (LHTS) Conceito ^26,27.

Nós apresentamos um procedimento para a caracterização de materiais em um precursor de fibra de carbono poroso em um ambiente representativo gás de plasma bem caracterizada de voo reentrada. O caracteriz Freestream plasmação não faz parte deste protocolo, mas pode ser encontrada em outro lugar ^28. Uma configuração experimental abrangente de técnicas invasivas e não invasivas foi integrado para a análise in-situ do material exposta ao fluxo de plasma quente. Os resultados desses experimentos de ablação já foram apresentadas e amplamente discutido em outra referência ^28. Este protocolo destina-se a fornecer informações detalhadas sobre as técnicas experimentais, a sua instalação na instalação, e os procedimentos para análise de dados. público-alvo desta publicação são múltiplas: por um lado, esta publicação se destina a fornecer uma melhor visão sobre os métodos e procedimentos experimentais para melhorar a compreensão das características da instalação para os desenvolvedores de código de materiais e engenheiros de materiais de proteção térmica. Por outro lado, os experimentalistas de laboratórios com instalações semelhantes são dirigidas para a reprodução de dados e comparação, e para estender o banco de dados de ablative resposta material a um calor de fluxo e pressão gama mais ampla.

Protocolo

1. Mecanismo de Preparação

1. Definir sonda eo porta-amostras de atribuição com base na disponibilidade e facilidade especificações (3 titulares sonda neste trabalho) para obter melhores vistas sobre amostra de teste de fora da facilidade para medições ópticas durante o experimento.
2. Se um material de pirólise é utilizado, colocar a amostra de ensaio num ambiente arrefecido (T <200 ° C) antes do ensaio começar cedo para evitar a degradação e a saída dos gases.
3. Use titulares de sondas disponíveis para medições de fluxo de calor e medições de pressão do fluxo de plasma, detalhes sobre o fluxo de calor e medições de pressão Pitot na instalação Plasmatron podem ser encontrados na referência ^24.

Setup 2. Técnicas de Medição

1. Emissão de instalação e alinhamento espectrômetro
   1. Identificar o espectrômetro desejado dependendo dos objetivos do teste e do aparelho disponíveis: configurações possíveis consistem em vários pequenos, mas amplo speespectrómetros ctral-gama para as medições de ponto, ou espectrógrafos de alta resolução ligados a uma matriz CCD 2D permitindo medições espacialmente resolvidas (por exemplo ao longo da linha central, ou o raio do jacto de plasma em frente das amostras de ensaio).
   2. Dependendo da configuração do espectrómetro escolhido, determinar a ampliação que será necessário e escolher a lente apropriada, conforme descrito abaixo:
      1. Observar três locais dentro de 4 mm (espessura da camada limite esperado) em frente da amostra de teste pelos espectrómetros, consequentemente, incrementos de 2 mm. Isso resulta em uma ampliação de m = 3 para o sistema óptico devido à distância mínima entre cada uma das fibras estar limitado a 6 milímetros por o revestimento de fibra (4 mm para 12 milímetros obtendo-se m = 3).
      2. Determinar a distância focal da lente exigido pela ampliação ea equação lente fina:
         m = s _i / s _O, com s _i e s _{o sendo as distâncias da lente para a imagem e para o objeto, respectivamente; 1 / s O + 1 / s i = 1 / F, sendo F com a distância focal da lente.
         Nota: Neste protocolo: s i = m x s o = 3 x 1.000 mm = 3.000 milímetros, resultando em f = 750 mm.}
      3. Use espelhos se a distância entre a lente e o objecto é impraticavelmente grande (aqui 3.000 milímetros).
   3. Remover encamisamento das fibras ópticas, a fim de trazê-los tão próximos quanto possível e projetar um sistema de montagem conveniente. Por exemplo, use uma prensa de ajuste de montagem simples com as fibras que encontra-se ao lado do outro.
   4. Alinhar o sistema óptico (que consiste em lentes, espelhos, fibras ópticas termina) usando um laser de linha vertical e horizontal: Trazer todos os componentes para a mesma altura (tal como a amostra de teste) e alinhar lente perpendicular à linha de estagnação da amostra (região no front de nariz da amostra sobre o eixo da amostra).
   5. Concentre-se o caminho óptico, colocando a lente a uma distância s _o a partir da amostra de teste e a fibra óptica termina a uma distância s _i a partir da lente. Iluminar o ponto de amostra com uma lâmpada de estagnação e posicionar as extremidades da fibra no local da melhor imagem focada.
      Nota: A criação da imagem de uma lâmpada de mercúrio de calibração do estilo do lápis posicionado em frente da amostra de teste pode ajudar: ligar um espectrómetro de uma fibra óptica e colocar a extremidade da fibra móvel, onde ocorre a emissão de mercúrio mais forte.
   6. Uma vez que o sistema de fibra de lente está alinhado, enviar um ponto de laser através das extremidades de fibras (lado espectrómetro) e observar a laser focado no lado da amostra com uma folha de papel branco para confirmar a posição correcta e concentrando-se em frente da amostra de teste (antes da cada teste).
   7. Evitar qualquer emissão, excepto que a partir do ponto focal de entrar na fibra óptica termina por PTfechando o caminho óptico com cartolina preta. Cruzar com um feixe de laser que nenhuma luz excepto que focado pela lente e reflectida pelos espelhos atinge as extremidades das fibras no interior do sistema fechado. Para fazer isso, enviar um feixe de laser através das fibras ópticas (lado espectrómetro) e verificar que nenhuma luz emitida por a extremidade da fibra é capaz de atingir a lente directamente.
2. Internet de alta velocidade Câmara (HSC)
   1. Use uma câmera de alta velocidade para a observação da superfície se disponível para permitir tempos de exposição de curta duração para imagens saturado-un da superfície quente, ablação.
   2. Observar a amostra de teste com a HSC perpendicular à superfície da amostra. Utilizar o exemplo - eixo sistema de lentes para o alinhamento horizontal e vertical da ótica da câmera. Certifique-se o centro de campo de visão do HSC coincide com o centro da lente e o ponto de amostra de estagnação.
   3. Sincronizar HSC e espectrômetro de emissão com um gerador de Delay Digital (DDG). Acionar a gravação do HSC com umpico de tensão single do DDG e acionar cada gravação espectro com a frequência desejada (2 Hz) durante os experimentos (secção 3).
3. Radiometria
   1. Usar um pirómetro de duas cores para a observação da temperatura da superfície, em combinação com uma janela de quartzo na câmara de ensaio.
      Nota: Se as temperaturas alvo muito elevados são esperados, que excede a faixa de medição do dispositivo, considere diminuir o brilho mensurável com um filtro apropriado ou a janela de menor transmitância.

3. Experimental Testing

1. Tirar fotografias com uma câmara DSLR convencional, medir dimensões (usando uma regra de calibre) e peso da amostra de ensaio virgem antes da instalação na câmara de ensaio.
2. Configuração do software HSC:
   1. Definir tempo de exposição elevada (90 ms) para alinhar e focar a HSC antes da experiência com a amostra de teste no lugar e tomar uma imagem de pré-teste (pós-trigger = 1).
   2. Alterartempo de exposição para experiência (2-10 ms), e definir pós-disparo ao máximo (para armazenar todos os quadros), definir taxa de gravação correcta (fps) para cobrir a experiência completa (aqui 30-90 seg a 100 fps).
   3. Definir número f inicial para f / 16.
3. Defina o DDG para a taxa de repetição desejado em que espectros devem ser registados pelos espectrómetros (aqui: 2 Hz). O primeiro impulso de disparo vai começar a aquisição HSC.
4. Configurar o software de aquisição de espectrômetro (integração em tempo τ _exp: dependendo da intensidade de emissão, aqui: 20-150 ms, adaptar durante o experimento, se necessário, média = 1).
   1. Verifique se o sistema óptico ainda está posicionada corretamente antes da experiência com a amostra no local (veja o passo 2.1.6).
   2. Tome imagem de fundo S _bg com cada espectrômetro e guardá-lo.
   3. Alterar o gatilho para 'software externo', dependendo do software (por exemplo, SpectraSuite) (outra options são: 'externo' e 'sincronizar', com finalidades diferentes).
   4. Salve cada espectro ao receber um impulso de disparo.
5. Instalar uma câmara de alta definição (HD), a qualquer acesso óptico se desejado.
6. Coloque a amostra de teste no sistema de proteção e aspirar a câmara de ensaio utilizando um grupo de três bombas de vácuo rotativo de palhetas e uma bomba de raízes.
7. Comece a instalação de plasma e trazê-la para a condição de teste desejada em termos de fluxo de calor e pressão, ajustando a entrada de energia eléctrica e as bombas de vácuo. Use sonda fluxo de calor e a sonda pitot (passo 1.3) para observar as condições obtidas (1 MW / m ² e 3 MW / m ² a 15 hPa e 200 hPa).
8. Iniciar a gravação de HD-câmara e pirômetros.
9. Tome um espectro livre-stream com todos os espectrômetros disponíveis (para comparação de calibração) tempo de integração, em seguida, mais baixa para evitar a saturação (de 200 ms a 50 ms).
10. Gatilho HSC e espectrômetros via DDG (veja o passo 3.2 para a configuração) pressionando "trig" e definir o modo de 'externo' para 'interna'.
11. Injectar a amostra de teste no fluxo de plasma. Aqui, um mecanismo pneumático é utilizado para injectar a amostra.
12. Ajustar o tempo de integração de espectrômetros, se necessário, para evitar a saturação (de preferência, qualquer mudança de configuração de instalação agora deve ser evitado).
13. Ajustar a abertura de HSC, se necessário, para impedir a saturação do sensor.
14. Remover a amostra de teste após o tempo de ensaio desejado (30 s ou 90 s) para o sistema de protecção de amostra e desligar o fluxo de plasma.
15. Pare de DDG e aquisição espectrômetro, salvar imagens HSC, e parar de aquisição pyrometer.
    Nota: Deixe pyrometer execução se um material com alta capacidade térmica é testado para monitorar fase cool-off (não é necessário para a pré-forma CBCF).
16. Enviar ponto de laser através de extremidades de fibra óptica (laterais espectrômetro) e observar o foco do laser com HSC, gravar esta imagem para marcar posição do espectrômetro.Repita este passo com cada fibra espectrômetro / óptico.
    ATENÇÃO: Certifique-se de laser não é muito forte para danificar o sensor CCD da câmera. Um dispositivo de descarga é o preferido. Alternativamente, uma imagem do apontador laser sobre uma folha de papel, em frente da amostra testada pode ser feita.
17. Coloque um tabuleiro de xadrez na posição da amostra de teste e imagem recorde com HSC para a calibração.
18. Remover amostra de teste (por exemplo, através de ejeção hidráulica), pegue peso, tirar fotografias, e armazenar no armazenamento de amostras para proteger a camada de char frágil composto por fibras oxidadas (não toque a superfície da amostra frontal).

4. A calibração Spectrometer

1. calibração espectral
   1. Coloque uma lâmpada de calibração espectral no ponto focal da lente (por exemplo, uma lâmpada de mercúrio estilo do lápis) para determinar a calibração de comprimento de onda e a-largura-semi-máxima total (FWHM) do sistema óptico, os pormenores sobre os passos podem ser encontrados na literatura ^29.
2. calibração de intensidade
   1. Executar uma calibração intensidade de cada sistema óptico que consiste no mecanismo de coleta de luz (lente) e eficiências espectrómetro em W / (m ² · sr · nm) entre 350 nm e 900 nm. Fazer isso colocando uma lâmpada de tungsténio-fita (OSRAM WI 17G) no foco de cada óptica recolha no interior da câmara de teste. Grave espectro S _cal da lâmpada de _{calibração, exp} e obter o fator de calibração C por:
      C = S _{cal, th} / (S _{cal, exp} - S _{bg, cal)} x τ _cal,
      com a resposta espectral teórica da lâmpada de calibração (fornecido pelo fabricante) S _{CAL, Th,} o sinal medido do _cal de calibração lâmpada _{S, Exp,} o fundo da _{BG, cal,} e o tempo de integração durante a medição de calibração τ _CAL </ Em>.

5. Processamento de Dados

1. taxa de superfície recessão e espectrômetro de localização de sondagem (s):
   1. Observe a injeção da amostra e os tempos de ejeção do arquivo de vídeo HSC para estimar o tempo de teste correto.
   2. Observe localização de pixel do ponto de estagnação toma para análise de injecção a partir do arquivo de vídeo HSC.
   3. Calibrar HSC ampliação exportando imagem tirada no passo 3,17 (por exemplo, .tiff formato) e contando os pixels na região de medição abrangendo várias praças tabuleiro de xadrez. Calcular os pixels de correlação: mm (obter uma caracterização mais detalhada dos parâmetros da câmara intrínseca e extrínseca, utilizando a caixa de ferramentas de calibração da câmara em MATLAB, se desejado).
   4. Exportar a imagem (s) tomada no passo 3,16 (por exemplo, .tiff formato) e encontrar os pixels da localização (s) espectrômetro de sondagem como pontos brilhantes na imagem, indicando X e Y posição.
   5. Exportação HSC imagens (por exemplo, F-MultitiffOrmat) e realizar a detecção de bordas (por exemplo, usando Matlab função de construir-in 'edge') para definir a localização do ponto de estagnação em cada etapa de tempo i (x _i e y _i).
   6. Subtrair a posição da superfície (passo 5.1.5) a partir da posição da localização espectrómetro de sondagem (s) (passo 5.1.4) para cada passo de tempo para obter a sua distâncias d (T) a partir da superfície.
2. processamento de espectros de emissão (todo o pós-processamento pode por exemplo ser realizada dentro Matlab).
   1. Exportar todos os arquivos gravados espectro (comprimento de onda versus intensidade) e calibrar a resposta intensidade de cada espectro registrado por:
      S _{exp, cal} = (S _exp - S _bg) / τ _exp x C,
      com a _exp obtidos experimentalmente espectro S, o arquivo de fundo da _BG (passo 3.4.2), o tempo de integração experimental64; _exp eo fator de calibração C determinada durante a etapa 4.2.1.
   2. Se forem utilizados vários espectrômetros, avaliar a validade do coeficiente de calibração C usando os espectros Freestream tiradas durante o passo 3.9. Traçar todos os espectros livre de fluxo calibrados em conjunto; suas respostas devem ser quase idênticos porque os volumes de recolha espectrómetro no fluxo de plasma são muito próximos uns dos outros.
   3. Abra o arquivo que contém o vector de comprimento de onda do espectro calibrado (por exemplo, clique duas vezes no arquivo .mat em MATLAB) e identificar os índices de linha correspondentes aos comprimentos de onda λ ₁ = 370 nm e λ ₂ = 390 nm (Alternativamente, use o "find "comando em Matlab).
      Nota: Para a pirólise ablators fenol originado espécies estão também disponíveis, tais como C _2, CH, H, NH, OH.
   4. Integrar o sinal de emissão de interesse (emissão violeta aqui CN, 370-390 nm) entre os dois indices (X ₁ e λ ₂₎ a partir do passo 5.2.3 para cada intervalo de tempo (I _{X 1- λ 2} (t)).
   5. Lote com software de escolha a emissão espectralmente integrado (I _{X 1- λ 2} (t)) de cada um espectrómetro (passo 5.2.4) como uma função das distâncias spectrometer a partir da superfície (passo 5.1.6) (Figura 2) ( por exemplo, lote (d (:, 1: 3), I (:, 1: 3), 'X')).
   6. Para uma melhor interpretação dos resultados, realize um ajuste polinomial dos dados e traçar os resultados (por exemplo, usando o comando polyfit de MATLAB:
      [P, ErrorEst] = polyfit (d (:, 1: 3), I (: 1: 3,9);
      [Encaixar, delta] = polyval (p, d (:, 1: 3), ErrorEst); plot (d, fit))
      Nota: Dependendo da localização e da resolução dos espectros de gravada, a temperatura estados excitados de moléculas pode ser determinado. Use um simul radiaçãoferramenta de ração para caber espectros numérico para espectros experimental da violeta CN e sistemas de cisne C _2. Várias ferramentas on-line incluem ferramentas de montagem espectrais para a obtenção de translação, rotação, vibração e temperaturas electrónicas ^30.

6. Pós-teste de Inspeção de Amostra

1. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para estudar a fibras de carbono e camada de carvão degradação
   Nota: devido à sua elevada condutividade eléctrica, sem tratamento adicional é necessário no caso de amostras de carbono totalmente carbonizados. Carregar e distorção das imagens irá ocorrer se resina fenólica virgem está presente na amostra de teste.
   1. Se possível, colocar a amostra de ensaio cheia na câmara de vácuo do dispositivo de SEM para examinar a camada de carvão evitando qualquer destruição da superfície.
      Nota: Uma descrição detalhada do SEM e X-Ray Microanálise aplicado a materiais compósitos é dada na literatura ³¹ e não incluídos neste protocolo.
   2. Use uma virgem (não testado) amostra de material como referência para estudar as dimensões das fibras de carbono:
      1. Selecione uma única fibra, bem observável com o sistema SEM.
      2. Estimar a espessura de fibra de carbono virgem e comprimento da fibra com as ferramentas fornecidas pelo software do sistema SEM acordo com as instruções do fabricante. Por exemplo, procure na barra de ferramentas para "Medição" e selecione "Régua", em seguida, toque os pontos de início e fim do objeto de destino (por exemplo, os pontos de início e fim de uma única fibra).
         Nota: Isto produz um segmento de recta que liga e a distância é apresentada. Sucessivamente realizar essa operação, se necessário.
   3. Identificar os mecanismos de degradação das fibras na amostra testada, por exemplo, uma forma de agulha, sugere um regime de ablação limitada por difusão de oxigénio ^28, ao passo que as fibras de pitting e ataques locais pode ser devido a um regime controlado de reacção e / ou acti locaisve locais devido às impurezas do material.
   4. Cortar o material frágil, usando um bisturi. Investigar a degradação em profundidade e estimar a profundidade na qual as fibras são diluídos através da comparação da espessura das fibras ablacionadas com a espessura de fibra virgem (passo 6.1.2.2).
   5. Detectar uma possível formação de fuligem e de deposição de carbono na superfície em ablators pirólise, este pode ser melhorada se a amostra foi testada num ambiente pobre em oxigénio (por exemplo, azoto ou árgon).
   6. Uso análise de raios X de energia dispersiva (EDX), juntamente com ³¹ a SEM para detectar e identificar impurezas do material que pode conduzir ao aumento da reactividade (por exemplo, cálcio e potássio).

Resultados

O material a granel abertamente disponível era uma pré-forma de fibra de carbono ligado por carbono altamente porosa (CBCF), que consiste de um isolamento de fibra curta proveniente de viscose (fibras de celulose feito a partir de celulose purificada). As fibras de carbono, virgens descontínuas cortadas são interligados numa matriz produzido pela carbonização de resina fenólica. Durante este processo, as fibras tornam-se orientado e microestrutura e propriedades são anisotrópica. O material é então tratado com vácuo a temperaturas acima de 2300 K para garantir a sua estabilidade a temperatura e a ausência de saída de gás. O material foi maquinado internamente para amostras hemisféricas (HS) do teste de raio de 25 mm com 50 mm de comprimento. As amostras têm uma densidade inicial de cerca de 180 kg / m ^3, com uma porosidade inicial de 90%.

A instalação VKI Plasmatron tem sido usado por todos os experimentos para a reprodução do aero-thermambiente odynamic dos fluxos de plasma de reentrada, criando uma alta entalpia, altamente dissociados do fluxo de gás subsónico. O gás é aquecido por indução por meio de uma bobina, a criação de um fluxo de plasma de alta pureza. Uma vista geral da câmara de ensaio e um diagrama esquemático da instrumentação experimental para medições de ablação in situ pode ser encontrado na Fig. 1 (a) e 1 (b). Condições de teste experimental e os resultados globais, como a taxa média de recessão obtido a partir de HSC de imagem e perda de massa são apresentadas na Tabela 1. Utilizou-se um pirómetro de duas cores, empregando uma ampla (0,75-1,1 mm) e estreitas (0,95-1,1 mm) banda espectral para a determinação da temperatura em 1 taxa de aquisição Hz (1,300-3,300 K). Usando duas bandas de comprimento de onda estreitas e sob a hipótese de uma emissividade ser independente do comprimento de onda, a temperatura da superfície pode ser estimado sem conhecimento da sua emissividade. O pirômetro foi apontado e focado na área de estagnação dos samplo através de uma janela de quartzo de 1 cm de espessura, com um ângulo de 35 ° em relação à linha de estagnação. O instrumento foi calibrado até 3300 K por uma fonte de corpo negro.

A retirada da superfície foi medido pelo HSC com uma resolução de 0,2 mm. É evidente que as medições de recessão paquímetro geralmente resultou em valores maiores do que os realizados por imagiologia HSC, com uma diferença em recessão total entre os dois métodos variando entre 0,45 a 0,9 milímetros. A maior incerteza para esta medição foi introduzido através da compressão da camada de carvão quebradiços com o paquímetro. taxas de recessão no ar variou entre 44,6 e 58,4 mm / s. Além disso, é evidente que as taxas de recessão HSC-determinadas no plasma de ar não diferiu muito, provavelmente devido a um regime de ablação de difusão controlada. Neste regime, a temperatura da superfície é elevada o suficiente para fazer com que o consumo completo do oxigénio disponível na superfície, e Conseqüênciasuently, ablação é restringida pela difusão do oxigénio através da camada limite ^32,33. Por outro lado, num ambiente controlado da reacção de oxidação, o oxigénio difunde-se mais rapidamente através de uma camada limite do que é consumido na superfície e ablação aumenta com a temperatura de superfície. Taxas de retirada do material CBCF em ambientes de elevada entalpia são também relatado por MacDonald et ai. (56 uM / seg) e ²² Löhle et ai. (50 mm / seg) ^34. Esses valores encontram-se entre as nossas medições, embora MacDonald et ai. utilizada uma forma cilíndrica amostra de teste e Löhle et al., uma amostra de teste incorporado numa sonda arrefecido a água.

Três espectrômetros de baixa resolução foram utilizados para observação da fase gasosa. A vantagem deste instrumento é um varrimento rápido de uma vasta gama espectral (200 - 1000 nm), que permite a detecção de várias moléculas e átomos, presente em ablatanálise de iões.

Intensidades de emissão integrada NC, plotado com a distância a partir do show superfície ablação muito boa concordância com relação ao outro (Fig. 2). Os dados são rotulados de acordo com suas respectivas posições de superfície da amostra com 'close', 'média', e 'muito'. Os três espectrômetros medido a mesma intensidade de emissão violeta NC uma vez que a luz do percurso óptico fixo recolhido a partir da mesma distância na parte dianteira da superfície. As intensidades integradas de todos os três espectrômetros quase coincidem 3,4 mM antes da superfície de ablação. Ambos os casos mostram que a emissão violeta CN registrados atingiu o pico em frente da amostra de teste, antes de diminuir através da camada limite. A partir desses resultados deduz-se que o material de queima em ar durante todo o tempo do teste era muito estável, e que o sinal de emissão registada caiu cerca de 90% dentro de mm frontal da superfície 5. violeta CNOs espectros experimentais foram, em seguida, utilizado para comparação com espectros simulado a fim de se obter temperaturas do gás. Os espectros sintéticos foram obtidos utilizando SPECAIR 2.2, assumindo uma distribuição de Boltzmann dos níveis de excitação e dos mínimos quadrados procedimento de ajuste foi aplicado para estimar temperaturas de translação rotacional _rot T e vibracionais-eletrônicos temperaturas T _vib (Fig. 3). Duas condições, a baixa (a) e de alta pressão (b), são apresentados, com os espectros de tomadas perto da parede da camada limite. As temperaturas estimados produz um desvio de equilíbrio térmico elevado a baixa pressão (Fig. 3 (a)). A mesma análise foi realizada por várias distâncias a partir da superfície, que ilustra melhor o desvio do equilíbrio térmico próximo da parede a baixa pressão (Fig. 4 (a), 15 hPa), equilibrando através da camada limite. As temperaturas recuperados foram da ordem de 8.200 K para T _rot e 21.000 K por T _vib perto da parede, com _vib T diminuindo para 8.200 K através da camada limite. Isto está em contraste com a condição de equilíbrio ao longo da camada limite a pressão mais elevada (Fig. 4 (b), 200 hPa). Os limites de temperatura foram baseados em uma incerteza de 10% na intensidade de emissão espectrómetro, permitindo uma variação teórica espectro dentro desses limites para o procedimento de ajuste.

A baixa pressão, a transferência entre as moléculas de excitação é reduzida devido ao menor número de colisões, o que pode explicar o efeito de equilíbrio para o bordo da camada limite. Assumimos uma forte influência de nitrogênio molecular na entalpia de plasma de baixa sobre a produção CN, seguido de excitação vibracional de CN. adsorção dissociativa de nitrogênio altamente vibrationally animado é assumido para criar sítios reativos na superfície que levam à produção CN. Bouberte Vervisch descrever este processo em um plasma de azoto / dióxido de carbono a baixa pressão ^35. Este processo pode criar um conjunto de átomos de azoto na superfície, com reacções exotérmicas que conduzem a um excesso de energia a ser convertido em excitação e de rotação de NC vibracional.

Micrografias provou que a oxidação do carbono no plasma de ar conduzido a uma forma de gelo de as fibras ablacionadas com uma profundidade de oxidação de cerca de 0,2 mm (Fig. 5 (a)). Este tipo de moldagem pingente devido à ablação está amplamente descrita na literatura para os materiais compósitos de carbono-carbono ^{de 36 - 38.} A forma pingente (ângulo de abertura) depende da competição reacção em difusão para a superfície do material poroso, e portanto, varia de acordo com a difusão do oxigénio. Este comprimento é assumido para corresponder à profundidade média de difusão de oxigénio. A forma pingente confirma adicionalmente a ablação de difusão controlada. Em contraste, a reacçãoablação limitada permitiria oxigénio a flutuar dentro da estrutura de fibra mais profundo, produzindo corrosão local, das fibras de carbono.

Faíscas luminoso foi observado durante alguns testes de ablação (Fig. 5 (b)), que podem ser causadas por aglomerados de fibras quentes destacando a partir da superfície. Ablação em plasma de nitrogênio levaram à fibras altamente degradadas ao longo de sua superfície, o que levou a uma recessão lenta do material por nitretação (Fig. 5 (c)). Como a reactividade de carbono ao azoto é muito menor do que para o oxigénio, o azoto é capaz de se difundir mais profunda no interior do material, o que leva à degradação ao longo de toda a fibra.

Figura 1. Plasmatron e Visão geral da configuração experimental. (A) visão geral câmara de teste VKI Plasmatron indicando amostra de teste fora tele sistema de retenção, as sondas de fluxo de calor e pressão, e acessos ópticos para radiometers, HSC e óptica espectrômetro. (B) Representação esquemática da montagem experimental. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1. condições de teste plasmatron e resultados experimentais de amostras pré-forma de carbono. De referência caso de teste, gás de teste, pressão estática p _s, pressão dinâmica p _d, gerador de energia P, significa parede fria fluxo de calor q _cw, teste da amostra da exposição τ tempo, significa temperatura superficial T _s, taxa de recessão r / τ, e massa taxa de perda de m / τ.

Figura 2. emissão violeta espacial CN na camada limite perfis das emissões registado por três espectrômetros adjacentes durante a ablação do pré-molde ao ar coincidem bem quando os caminhos ópticos fixos foram recolha de luz a partir da mesma distância em frente da superfície de ablação:. Material estável burn-off, e reativa camada limite tamanho ~ 5 milímetros frontal da superfície (condição A1a). por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. temperaturas violeta CN estimados a partir de método de ajuste espectral. método dos mínimos quadrados para a melhor montagem de CN espectros violeta calculado com SPECAIR 2.2 fornecida tempe translacional-rotacional e vibracional-eletrônicoRatures T _podridão e T _vib: (a) Condição A1a: T _rot = 8240 K ± 400 K, T _vib = 21.600 K ± 1.700 K, T _LTE = 12.600 K ± 500 K (simulação de equilíbrio T _LTE indicado para comparação); (B) Condição A1a: T _rot = 6,880 K ± 200 K, T _vib = 7.120 K ± 180 K. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. NC perfis de temperatura violeta na camada limite. Translational-rotacionais e _podridão temperaturas T vibracional-eletrônico e T _vib do simulado, equipado CN espectros violetacomputado com uma ferramenta de simulação de radiação em quatro distâncias a partir da superfície ablação sugerem desvio de uma condição de equilíbrio térmico próximo à parede, a uma baixa pressão de 15 hPa (a), mas presente de equilíbrio ao longo da camada limite a 200 hPa (b). Os limites de temperatura [K] foram baseadas em uma incerteza de 10% na intensidade de emissão espectrômetro, permitindo uma variação teórica do espectro dentro desses limites para o procedimento de ajuste. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. micrografias de exploração electrónica após a ablação do ar (a), incluindo in-situ fotografia (b) e micrografias após a ablação de azoto (c). (A) Pós micrografias ar-ablação tomada emsuperfície frontal perto de estagnação atual ponto desbaste de fibras de carbono devido à oxidação da ponta da fibra, levando a forma sincelo, a profundidade da difusão de oxigênio é cerca de 200 mm (difusão de ablação limitada); (B) Fotografia tomada durante o teste de ablação de uma amostra cilíndrica de ensaio (tempo de exposição: 1/200 seg) ilustra a formação de faíscas brilhantes; (C) Corrosão acentuada foi observada em nitrogênio ao longo do comprimento da fibra todo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

Este protocolo descreve os procedimentos para a caracterização de materiais de reagir materiais de proteção térmica em fluxos de alta entalpia e apresenta os resultados das amostras obtidas em um não-pirólise, ablação de fibra de carbono ligado carbono precursor (CBCF). O material CBCF é muito semelhante ao precursor rígida em ablators carbono-fenólico de baixa densidade, tais como PICA e Asterm, que são os alvos finais das técnicas apresentadas. As principais vantagens do material CBCF são seu baixo preço e disponibilidade aberta, uma vez que não é restrita aos certificados de exportação de controle. Ele foi escolhido para a apresentação da abordagem dos autores como outras instituições de pesquisa pode facilmente obter material CBCF cru. Com esta publicação, os autores prever a definição de um procedimento padrão relativamente simples, facilitando a comparação com outros laboratórios.

As técnicas fundamentais são um método não-invasivo para monitorar a recessão materiais e sondagem de tele química na camada limite reactivo por espectroscopia de emissão. Aplicação de imagens em alta velocidade é uma técnica simples, mas o cuidado deve ser tomado com o alinhamento do sistema de câmera e o brilho da superfície esperado. Um tempo de exposição curto na ordem de alguns microssegundos ajuda a evitar a saturação do sensor de câmara.

Algumas técnicas para photogrammetric ablator recessão são relatados na literatura, por exemplo por Löhle et ai. ^34. Eles são superiores a nossa técnica, devido à geração de imagens da superfície ablator toda em maior resolução. Os autores afirmam uma resolução de 21 uM, o que é quase uma ordem de magnitude maior do que a da técnica apresentado no nosso trabalho. No entanto, a instalação da configuração, calibração e pós-processamento fotogramétrico são demoradas (os autores relatam um dia / ensaio), e duas portas ópticas são necessárias se duas câmaras independentes têm de ser utilizados. campanhas de teste que exigem um alto número de amostras de teste fazer esta aplicação muito caro. A técnica apresentada neste protocolo é facilmente configurado e pós-processamento pode ser feito com ferramentas numéricas existentes. Nossa técnica é conforme ao objectivo alvo de após a recessão de superfície in situ. A precisão da nossa técnica poderia ser ainda mais aumentada com uma resolução da câmara superior ou maior distância focal do sistema óptico. No entanto, se a análise do material requer alta resolução espacial de detalhes da superfície, sugerimos o emprego de técnicas de fotogrametria.

O cuidado deve ser tomado com o alinhamento e calibração do sistema óptico para a espectroscopia de emissão óptica (OES). Esta técnica é limitada às medições de linha de vista e a sondagem é constrangido a átomos e moléculas electronicamente excitado. Mas sua simplicidade e alto retorno sobre o investimento ainda governa sobre as técnicas mais elaboradas, como por exemplo, a fluorescência induzida por laser (LIF) espectroscopia, que édifícil de levar a cabo próximo da superfície durante a análise de ablação. Embora espectroscopia de LIF com sucesso tem sido aplicado para a investigação de populações de espécies do estado fundamental no plasma Freestream ^39,40, medições de LIF na camada limite são relativamente raros. Medições de SiO em frente de uma amostra de SiC quente são relatados por Feigl ^41, mas ainda não foram realizados para a ablação de superfícies. A superfície em retrocesso da ablator proíbe tempos de medição de comprimento na camada limite. Para além disto são os sistemas de LIF muito caros devido ao elevado número de componentes específicos.

A evolução espacial e temporal dos produtos de ablação é de interesse para esta publicação, que pode ser relativamente simples realizada por espectroscopia de emissão. Três baixa resolução, grandes espectrômetros gama serviu para detectar múltiplos átomos e moléculas presentes durante o teste de ablação. O banco de diagnóstico óptico consistia de uma lente de luz coleta, dois espelhoss, e uma fibra óptica para cada um dos três espectrômetros. Era importante para a configuração óptica que nenhuma luz, só que focado pela lente, chegou às fibras ópticas.

Se um material de pirólise está a ser estudada, numerosos hidrocarbonetos são ejectados pelo material, que são omnipresente em chamas de combustão, tal como, por exemplo, hidrogénio (série de Balmer, _α H e H _β), C ₂ (sistema de Swan), CH, OH, NH ^42. Estes podem ser detectados com esta configuração. Vários grupos de pesquisa estão aplicando recentemente espectroscopia de emissão para analisar a camada limite reativa formar os materiais de blindagem de calor em torno ablativos ^19,22,43,44. MacDonald et al. ²² testes de ablação pré-formados em um plasma indutivamente acoplado. A instalação consistiu de um espectrómetro de baixa resolução semelhante com uma resolução espectral de 1,16 nm, o que é mais baixa do que a resolução proporcionada pelo espectrómetro utilizada para a nossa configuração. Seus tes iniciaisforma de T da amostra era um cilindro, experimentando um forte ablação borda, como demonstrado por a temperatura da superfície a aumentar durante o ensaio. Assim, a camada de fronteira condição termoquímico provavelmente mudado durante a experiência, o que complica uma análise média-tempo. A amostra de teste hemisférica utilizado para a nossa análise não experimentou a ablação de ponta e manteve a sua forma durante o 30-90 seg tempo de teste ^45.

Hermann et al. ⁴⁴ fornecem primeiros resultados no acoplamento de radiação de ablação em uma instalação arcjet magnetoplasmadinâmico aplicando espectroscopia de emissão. Isto é de grande interesse para a comunidade científica como não tem havido muita investigação em instalações de teste do solo de longa duração sobre este tema. Infelizmente, nenhum comportamento temporal da emissão em frente do material de pirólise é relatado. Seus espectros na faixa de 300-800 nm foram concatenadas para um espectro completo durante o pós-processamento a partir de segmentos de comprimento de onda de 120 nm, por changing centro-comprimento de onda do espectrógrafo utilizado. Assim, vários espectros foram tomadas ao longo do tempo para cobrir a gama espectral completa. Se o material ablativo, CBCF pré-forma e Asterm no seu caso, experimentou um comportamento temporal forte causada por tanto transitória de ejeção gás de pirólise e de superfície ablação, isto pode falsificar o espectro temporal média.

Uma vantagem do espectrógrafo apresentado no nosso trabalho é, assim, a vasta gama espectral (200-900 nm) em comparação com fenda espectrógrafos, que geralmente resultam numa gama máxima de 120 nm a mais baixa resolução. A ampla faixa espectral observada com uma única aquisição permite a observação de várias espécies na camada limite, resultante de ablação e de pirólise processos, tais como espécies de hidrogênio contendo (OH, NH, CH, H), contribuintes de carbono (C, CN, C ₂₎ e contaminantes (Na, Ca, K). No entanto, se apenas uma única transição espécie é de interesse, uma alta resolução de fenda espectrógrafo pode ser applIED, que permite ainda a digitalização do perfil de emissão radial completa como foi realizada por Hermann et ai. ⁴⁴

Aplicações dos dados experimentais são, por exemplo, acoplado a validação de CFD e códigos de resposta do material. Um código de linha de estagnação com condição de contorno ablativo foi recentemente desenvolvido no VKI para a reprodução do campo de fluxo ao longo da linha de estagnação-corpos esféricos na VKI Plasmatron ^46. A comparação preliminar da emissão experimental da camada limite com perfis simulados foi apresentada em outro lugar ^45.

A análise microescala de amostras testadas foi indicativa de diferentes fenómenos de degradação das fibras de carbono em ar e de azoto de plasma. A morfologia sincelo observado de fibras ablacionadas apoiado ainda mais a assunção de ablação de difusão controlada, como foi sugerido pelas taxas de recessão quase idênticos em baixa pressão (15 hPa). Além disso, o AbseNCE de oxidação de material interno argumenta contra a entrada ou a difusão de gases quentes camada limite para a amostra de ensaio porosa. Tal oxidação interna, como estudado numericamente por Weng et al., Para PICA ^47, pode levar a uma estrutura de fibra mais fraca, causando a falha mecânica do material, por exemplo, sob a forma de espalação ^48,49. Portanto, é altamente sugerem uma análise microescala geral, juntamente com o teste de alta entalpia de materiais de carbono-composto porosas para aplicações de blindagem de calor. O objectivo final de uma análise microescala seria a identificação das reactividades intrínsecas de fibra de carbono. Imagens espacialmente resolvidas pode avançar tal análise, por exemplo, por micro-tomografia como realizada por Panerai et ai. ^50. Um código de material foi desenvolvido na VKI usando discretização Galerkin descontínuo para simular o complexo de resposta térmica em profundidade de materiais compósitos ablativos ⁵¹ .Este código faz uso do novo thorough biblioteca físico-química Mutation ^++, fornecendo as propriedades térmicas e de transporte de misturas de gases, incluindo o cálculo das áreas de química em fase gasosa-razão finita e homogênea / gás heterogêneo / gás-sólido química de equilíbrio ^52. Prevemos comparação dos nossos dados experimentais para o código de resposta do material, que é capaz de representar o estado microescala do meio poroso.

Materiais

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