Method Article
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.
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.
في 6 آب 2012، مختبر علوم المريخ التابع لناسا (MSL) بعثة هبطت بنجاح المسبار على سطح المريخ. ويشمل هذا المسبار بالفعل نظام جمع العينات الآلي للكيمياء وعلم المعادن التحليل. لم يمض وقت طويل بعد، في 12 تشرين الثاني عام 2014، واندر وكالة الفضاء الأوروبية الروبوتية فيلة تحقيق أول هبوط لينة على المذنب. وتشير هذه الأمثلة أن الخطوات المقبلة ستكون لتحديد وتطوير وتأهيل التقنيات المطلوبة لإعادة عينات من المريخ أو الكويكب بسلام إلى الأرض. حاليا، مواد الجر هي الخيار الوحيد لنظام الحماية الحرارية (TPS) من هذه البعثات عينة عودة، التي تحمي المركبة الفضائية من التدفئة الشديدة أثناء دخول الفائق السرعة. الكيميائية والتحلل الجسدي من ablators تحويل الطاقة الحرارية إلى فقدان كتلة والركود، في حين أن المواد الصلبة المتبقية يعزل 1،2 طيدة السيارة. مع أساليب قدمت خلال هذا البروتوكول، ونحن نريدللمساهمة مع البيانات التجريبية الجديدة للجهود الجارية لتحسين موثوقية الدرع الواقي من الحرارة عن طريق الحد من الشكوك تصميم وتطوير نماذج جديدة الاجتثاث الحرارية والكيميائية.
لتحقيق خصائص أداء عالية من المواد الحرارية حماية (TPM) المهندسين الجر تحقيقات الكواكب والمركبات الفضائية الاستفادة من مجموعة واسعة من المواد المركبة 3،4. وتتكون تدابير الحماية التكنولوجية عموما مقدمة جامدة ومصفوفة التعبئة، لتكون بمثابة pyrolyzing، ablating، والمواد العازلة في انخفاض الوزن مع الخواص الميكانيكية معقولة. الأمثلة الحالية من عائلة جديدة من ablators خفيفة الوزن التي يسهل اختراقها للبعثات دخول عالية السرعة، ومصنوعة من ألياف الكربون التشكيل مشربة مع الراتنج الفينول، وبيكا (الفينول مشربة ablator الكربون) التي وضعتها ناسا 5،6، وablator الأوروبي Asterm 7. بالإضافة إلى وكالات الفضاء بالتعاون مع الصناعة، بدأت عدة مجموعات بحثية على ليف الدراسيايل لتصنيع وتوصيف ablators جديدة خفيفة الوزن، انظر على سبيل المثال يحيل الى 2،8 - 12.
خلال دخول الغلاف الجوي، ويتم نقل جزء من تدفق الحرارة القادمة من الغاز صدمة ساخنة داخل الدرع الواقي من الحرارة ويتم تحويل المواد البكر التالية آليتين: الانحلال الحراري carbonizes تدريجيا الراتنج الفينولي إلى منخفض الكثافة، وشار التي يسهل اختراقها، وفقدان نحو 50٪ من لإنتاج الغازات الانحلال الحراري عن طريق تبخير كتلة. تم نقل الغازات الانحلال الحراري من مادة عن طريق الانتشار وزيادة الضغط الناتج عن تحللها. أنها تستنفد في طبقة الحدود، وتوفير المزيد من حاجز لتبادل الحرارة عن طريق النفخ وتفاعلات كيميائية إضافية. استخدام البوليمرات مثل راتنجات الفينول لمصفوفة يستفيد من طبيعة تدهور ماص للحرارة، وبالتالي امتصاص الطاقة، والقيام بدور الموثق لمكونات أخرى. ظاهرة التحول الثانيةهو الاجتثاث عن طبقة شار، ويتألف من الراتنج متفحمة وألياف الكربون المتبقية. ويتم تشجيع هذا عن طريق التفاعلات الكيميائية غير المتجانسة، مرحلة تغيير وتآكل الميكانيكية، مثل تشظية، مما يؤدي تماما إلى الركود للمادة.
على الرغم من البيانات المتاحة رحلة على أداء المادي خلال البعثات الماضية، والجهود المبذولة في نمذجة المواد 13،14، والتنبؤ تدفق الحرارة إلى المركبة الفضائية لا يزال يمثل مشكلة حرجة. تجارب في بلازما الرياح الأنفاق هو حاليا الخيار بأسعار معقولة الوحيد للتأهيل للمواد الحماية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، تم اقتراح نماذج استجابة مواد جديدة متعددة النطاق من أجل أن تأخذ في الاعتبار هيكل الصغيرة التي يسهل اختراقها من فئة جديدة من المواد 15،16. تلك النماذج تتطلب بيانات تجريبية واسعة لتطويرها والتحقق من الصحة.
المرافق في استخدام لتوصيف المواد هي الأكثر شيوعا قوس ساخنة 17 </ سوب> - 20 أو تحريض يقترن 21،22 المشاعل، والتي توفر المحتوى الحراري الغاز عالية مع الهواء مثل غاز الاختبار، مثالية لمحاكاة العائدة الغلاف الجوي. و1.2MW دون سرعة الصوت إلى جانب بالحث البلازما (ICP) شعلة مرفق Plasmatron في معهد فون كرمان (VKI) قادر على إنتاج البيئة aerothermodynamic من دخول الغلاف الجوي في طبقة حدود نقطة ركود كائن اختبار لمجموعة واسعة من الضغوط و الحرارة تدفقات 23-25. يوفر إجراء إعادة البناء العددي واسعة توصيف مفصل للطبقة الحدود واستقراء بيانات اختبار الأرض لظروف الطيران الحقيقي إعادة الدخول على أساس محاكاة انتقال الحرارة المحلية (LHTS) مفهوم 26،27.
نقدم إجراء لتوصيف المواد التي يسهل اختراقها على السلائف من ألياف الكربون في البيئة ممثل غاز البلازما جيدا اتسم الرحلة اعادة الدخول. وcharacteriza freestream البلازمانشوئها ليست جزءا من هذا البروتوكول ولكن يمكن العثور عليها في أي مكان آخر (28). تم دمج والإعداد التجريبية شاملة من تقنيات تدخلية وغير تدخلية للتحليل في الموقع من المواد المعرضة لتدفق البلازما الساخنة. نتائج تلك التجارب الاجتثاث قدمت بالفعل ومناقشتها على نطاق واسع في إشارة أخرى 28. ويهدف هذا البروتوكول إلى تقديم معلومات مفصلة عن تقنيات تجريبية، تركيبها في منشأة، وإجراءات لتحليل البيانات. الجمهور المستهدف من هذا المنشور هي متعددة: من جهة، ومن المفترض هذا المنشور لتوفير فهم أفضل للأساليب وإجراءات تجريبية لتحسين فهم خصائص المنشأة لمطوري الشيفرات المادي والمهندسين من مواد الحماية الحرارية. من ناحية أخرى، تعالج التجريبيون المختبرات مع تسهيلات مماثلة للاستنساخ البيانات والمقارنة، وتوسيع قاعدة بيانات ablatإيف استجابة مواد لأوسع للحرارة تدفق وضغط النطاق.
1. مرفق إعداد
الإعداد 2. تقنيات القياس
3. التجريبية اختبار
4. مطياف المعايرة
5. معالجة البيانات
6. بعد اختبار فحص عينة
كانت المواد السائبة المتاحة علنا المستعبدين الكربون مسامية عالية من ألياف الكربون التشكيل (CBCF)، ويتكون من العزل الألياف القصيرة القادمة من الحرير الصناعي (ألياف السليلوز مصنوعة من السليلوز النقي). مترابطة المفروم، متقطعة ألياف الكربون البكر في مصفوفة التي تنتجها الكربنة من راتنج الفينول. وخلال هذه العملية الألياف تصبح موجهة نحو والمجهرية والممتلكات ومتباين الخواص. ومن ثم فراغ معاملة المواد في درجات حرارة أعلى من 2300 ك لضمان استقرار درجة الحرارة وعدم وجود إطلاق الغازات. تم تشكيله المواد في المنزل لنصف كروية عينات (HS) اختبار نصف قطرها 25 ملم مع 50 ملم في الطول. عينات لديها كثافة الأولية من حوالي 180 كجم / م 3 مع المسامية الأولية من 90٪.
وقد استخدم مرفق VKI Plasmatron لجميع التجارب لاستنساخ ايرو الحرارياتالبيئة odynamic التدفقات البلازما إعادة الدخول، وخلق عالية المحتوى الحراري، نأت إلى حد كبير تدفق الغاز دون سرعة الصوت. يتم تسخين الغاز عن طريق الاستقراء من خلال لفائف، وخلق تدفق البلازما عالية النقاء. لمحة عامة عن غرفة الاختبار والتخطيطي لأجهزة القياس التجريبي لقياس الاجتثاث في الموقع يمكن العثور عليها في الشكل. 1 (أ) و 1 (ب). وترد ظروف الاختبار التجريبي والنتائج الإجمالية، مثل معدل الركود متوسط تم الحصول عليها من التصوير شهادة الثانوية العامة وفقدان كتلة في الجدول 1. استخدمنا البيرومتر اللونين، وتوظيف واسع (0،75 حتي 1،1 ميكرون)، والضيق (0،95 حتي 1،1 ميكرون) النطاق الطيفي لتحديد درجة الحرارة في 1 نسبة الاستحواذ هرتز (1،300-3،300 K). استخدام شريطين الطول الموجي الضيقة وتحت افتراض وجود الابتعاثية كونها مستقلة عن الطول الموجي، ويمكن تقدير درجة حرارة سطح الأرض دون معرفة الابتعاثية لها. وأشار البيرومتر وركز في منطقة ركود الصورةوافرة من خلال نافذة الكوارتز 1 سم سميكة، في زاوية من 35 درجة فيما يتعلق خط الركود. تم معايرة أداة تصل إلى 3،300 K من مصدر الجسم الأسود.
وقد تم قياس الركود السطح بواسطة شهادة الثانوية العامة مع قرار من 0.2 مم. ومن الواضح أن قياسات الركود حكم الفرجار أدى عموما في القيم أكبر من تلك التي يؤديها التصوير شهادة الثانوية العامة، مع وجود فرق في مجموع الركود بين الطريقتين تتراوح ،45-،9 ملم. وقدم أعلى من عدم اليقين لهذا القياس عن طريق ضغط طبقة شار هشة مع حكم الفرجار. معدلات الركود في الهواء تراوحت بين 44.6 و 58.4 ميكرون / ثانية. ومن الواضح كذلك أن معدلات الركود تحديد شهادة الثانوية العامة في البلازما الجوية لم تختلف كثيرا، وربما يرجع ذلك إلى نظام الاجتثاث التي تسيطر عليها نشرها. في هذا النظام، ودرجة حرارة سطح مرتفع بما يكفي للتسبب استهلاك كامل من الأكسجين المتاحة على السطح، وconsequently، يقتصر الاجتثاث عن انتشار الأكسجين من خلال طبقة حدود 32،33. على العكس من ذلك، في بيئة تفاعل الأكسدة التي تسيطر عليها، والأكسجين ينتشر بشكل أسرع من خلال طبقة الحدود من يستهلك في الزيادات السطحية والاجتثاث مع درجة حرارة سطح الأرض. وذكرت معدلات الركود في المواد CBCF في بيئات عالية المحتوى الحراري أيضا من ماكدونالد وآخرون. (56 ميكرون / ثانية) 22 و Löhle وآخرون. (50 ميكرون / ثانية) 34. تلك القيم تكمن بين قياساتنا، على الرغم من ماكدونالد وآخرون. استخدام أسطواني الشكل عينة الاختبار وLöhle آخرون عينة الاختبار جزءا لا يتجزأ من التحقيق المياه المبردة.
استخدمت ثلاث الطيف منخفضة الدقة للمراقبة للمرحلة الغاز. الاستفادة من هذا الصك هو مسح سريع لمجموعة واسعة الطيف (200 - 1000 نانومتر) التي تسمح للكشف عن الجزيئات والذرات متعددة، موجودة في ablatتحليل أيون.
شدة الانبعاثات المتكاملة CN، تآمر على مسافة واحدة من ablating عرض سطح اتفاق جيد جدا مع الاحترام لبعضهما البعض (الشكل 2). وصفت البيانات وفقا لمواقفها من سطح العينة مع 'وثيقة'، 'وسط'، و 'الآن'. بقياس الطيف ثلاثة نفس CN كثافة الانبعاثات البنفسجي مرة واحدة في ضوء مسار بصري ثابت التي تم جمعها من نفس المسافة أمام السطح. شدة متكاملة من كل الطيف ثلاثة تقريبا يتزامن 3.4 مم قبل سطح ablating. تظهر كلتا الحالتين أن الانبعاثات البنفسجي CN المسجلة بلغ ذروته عادل امام عينة الاختبار، قبل أن تنخفض خلال الطبقة الحدودية. من تلك النتائج نستنتج أن المادي حرق حالا في الهواء خلال فترة الاختبار كله كان مستقرا للغاية، وأنه إشارة الانبعاثات المسجلة انخفض نحو 90٪ في غضون 5 مم أمامي من السطح. CN البنفسجيثم استخدمت الأطياف التجريبية للمقارنة الأطياف الناتجة من أجل الحصول على درجات حرارة الغاز. تم الحصول على أطياف الاصطناعية باستخدام SPECAIR 2.2، على افتراض توزيع بولتزمان من مستويات متحمس والمربعات الصغرى تم تطبيق الإجراء المناسب لتقدير درجات الحرارة متعدية التناوب تي تعفن والذبذبات الالكترونية درجات الحرارة T VIB (الشكل 3). شرطين، عند أدنى ترد (أ) و (ب) ارتفاع الضغط، مع أطياف أخذت على مقربة من الجدار في طبقة الحدود. حققت درجات الحرارة يقدر انحراف عالية من التوازن الحراري تحت ضغط منخفض (الشكل 3 (أ)). تم إجراء نفس التحليل لعدة مسافات من على سطح الأرض، مما يدل أفضل الانحراف عن التوازن الحراري على مقربة من جدار تحت ضغط منخفض (الشكل 4 (أ)، 15 هكتوبسكال)، توازنه من خلال الطبقة الحدودية. كانت درجات الحرارة التي تم استردادها في حدود 8200 K للT صبعد التمديد و21،000 K لتي VIB على مقربة من الجدار، مع تي VIB خفض نحو 8200 K من خلال الطبقة الحدودية. هذا هو على النقيض من حالة التوازن في جميع أنحاء الطبقة الحدودية في ارتفاع ضغط (الشكل 4 (ب)، و 200 هكتوبسكال). واستندت حدود درجة الحرارة على حالة من عدم اليقين من 10٪ على كثافة الانبعاثات مطياف، والسماح لاختلاف الطيف النظري ضمن تلك الحدود لإجراء المناسب.
تحت ضغط منخفض، يتم تقليل نقل الإثارة بين الجزيئات بسبب عدد أقل من التصادمات، وهو ما قد يفسر تأثير توازنه نحو حافة الطبقة الحدودية. ونحن نفترض تأثير قوي من النيتروجين الجزيئي في منخفضة المحتوى الحراري البلازما على الإنتاج CN، تليها الإثارة الذبذبات من CN. ومن المفترض الامتزاز فصامي من النيتروجين غاية السعادة vibrationally لإنشاء مواقع تفاعلية على سطح التي تؤدي إلى إنتاج CN. BoubertوVervisch وصف هذه العملية في البلازما النيتروجين / ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط منخفض (35). قد تخلق هذه العملية مجموعة من ذرات النيتروجين على السطح، مع التفاعلات الطاردة للحرارة مما يؤدي إلى الطاقة الزائدة التي يجري تحويلها إلى الإثارة التناوب والذبذبات من CN.
أثبتت الميكروسكوب أن أكسدة الكربون في الهواء البلازما أدت إلى شكل جليد من الألياف ذاب مع عمق أكسدة نحو 0.2 مم (الشكل 5 (أ)). وذكر هذا النوع من تشكيل جليد بسبب الاجتثاث على نطاق واسع في الأدب للمواد مركب الكربون الكربون 36-38. شكل جليد (زاوية فتح) يعتمد على المنافسة تفاعل نشر على السطح من مادة مسامية، وبالتالي يختلف مع انتشار الأوكسجين. ويفترض هذا الطول لتتوافق مع متوسط عمق انتشار الأوكسجين. شكل جليد بالإضافة إلى ذلك تؤكد الاجتثاث التي تسيطر عليها نشرها. في المقابل، رد فعلان الاجتثاث محدود يسمح الأكسجين لتطفو في بنية الألياف أعمق، وإنتاج تأليب المحلي من ألياف الكربون.
وقد لوحظ أثار مشرق خلال بعض الاختبارات الاجتثاث (الشكل 5 (ب))، والتي قد تكون ناجمة عن مجموعات الألياف الساخنة فصل من على سطح الأرض. أدى الاجتثاث في البلازما النيتروجين للألياف المتدهورة للغاية على طول سطحها، مما أدى إلى حالة من الركود البطيء للمواد التي نتردة (الشكل 5 (ج)). كما أن التفاعل بين الكربون والنيتروجين هو أقل من ذلك بكثير إلى الأوكسجين والنيتروجين قادر على نزع فتيل أعمق في المواد، مما أدى إلى تدهور على طول الألياف كله.
الشكل 1. Plasmatron ونظرة عامة على إعداد التجريبية. (أ) نظرة عامة غرفة الاختبار VKI Plasmatron تشير عينة الاختبار خارج ر انه نظام الاستبقاء وتدفق الحرارة والضغط تحقيقات، والمداخل البصرية لالإشعاع، شهادة الثانوية العامة، والبصريات مطياف. (ب) تخطيطي من الإعداد التجريبية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجدول 1. ظروف الاختبار Plasmatron والنتائج التجريبية لعينات التشكيل الكربون. اختبار حالة مرجعية والغاز اختبار، ثابت الضغط ع الصورة، ودينامية ضغط ص د، مولد للطاقة P، يعني الجدار البارد تدفق الحرارة ف الأسلحة الكيميائية واختبار عينة التعرض لفترة τ، يعني درجة حرارة سطح تي الصورة، ومعدل الركود ص / τ، والشامل معدل فقدان م / τ.
>
الشكل 2. الانبعاثات البنفسجي المكانية CN في الطبقة المتاخمة لمحات الانبعاثات التي سجلتها ثلاث الطيف المجاورة خلال الاجتثاث التشكيل في الهواء يتزامن بشكل جيد عندما مسارات البصرية الثابتة وجمع الضوء من مسافة واحدة أمام سطح ablating: مادة مستقرة حرق حالا، ورد الفعل طبقة حدود حجم ~ 5 مم أمامي من السطح (حالة A1A). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. درجات الحرارة CN البنفسجي المقدرة من طريقة تركيب الطيفي. طريقة المربعات الصغرى لتركيب افضل من CN البنفسجي أطياف حسابها مع SPECAIR 2.2 المقدمة متعدية-التناوب والذبذبات-الإلكتروني تمبratures تي تعفن وتي VIB: (أ) الحالة A1A: T تعفن = 8240 K ± 400 K، T VIB = 21600 K ± 1700 K، T LTE = (المشار إليها التوازن محاكاة T LTE للمقارنة) 12،600 K ± 500 ك. (ب) الحالة A1A: T تعفن = 6880 K ± 200 K، T VIB = 7120 K ± 180 ك الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4. CN ملامح درجة الحرارة فوق البنفسجية في الطبقة الحدودية. بالحركة لمبدأ التناوب والذبذبات-الإلكتروني درجات الحرارة T تعفن وتي VIB من محاكاة، تركيب CN البنفسجي أطيافالمحسوبة مع أداة محاكاة الإشعاع في أربع مسافات من سطح ablating تشير الانحراف من الحراري على مقربة حالة التوازن على الجدار عند ضغط منخفض من 15 هكتوبسكال (أ) ولكن التوازن الحالي في جميع أنحاء الطبقة الحدودية في 200 (ب) هكتوبسكال. واستندت حدود درجة حرارة [ك] على عدم اليقين من 10٪ على كثافة الانبعاثات مطياف، والسماح لاختلاف الطيف النظري ضمن تلك الحدود لإجراء المناسب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. الضوئي الكترون الميكروسكوب بعد الاجتثاث الهواء (أ)، بما في ذلك في الموقع صورة (ب) والميكروسكوب بعد الاجتثاث النيتروجين (ج) (أ) المشاركة الميكروسكوب-الاجتثاث الهواء التي اتخذت فيالسطح الأمامي بالقرب من الركود نقطة ترقق الحالي من ألياف الكربون بسبب الأكسدة من غيض من الألياف، مما يؤدي إلى شكل جليد، وعمق انتشار الأوكسجين قريب إلى 200 ميكرون (نشر الاجتثاث محدودة). (ب) أخذت الصورة خلال اختبار الاجتثاث من عينة الاختبار الاسطوانية (زمن التعرض: 1/200 ثانية) يوضح أثار مشرق. وقد لوحظ (ج) تآكل قوي في النيتروجين على طول الألياف كله. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يصف هذا البروتوكول إجراءات لتوصيف المادي للتفاعل مواد الحماية الحرارية في تدفقات المحتوى الحراري عالية ويعرض نتائج العينة التي تم الحصول عليها على غير pyrolyzing، ablating ألياف الكربون المستعبدين الكربون (CBCF) السلائف. المواد CBCF هي مشابهة جدا لمقدمة جامدة لمنخفض الكثافة ablators الفينول الكربون مثل PICA وAsterm، التي هي الأهداف النهائية من التقنيات المعروضة. المزايا الرئيسية من المواد CBCF هي سعره المنخفض وتوافر مفتوحة، لأنه لا يقتصر على تصدير تراخيص السيطرة. تم اختياره لتقديم نهج المؤلفين على المؤسسات البحثية الأخرى يمكن بسهولة الحصول على المواد الخام CBCF. مع هذا المنشور، والكتاب تتوخى تعريف إجراءات موحدة واضحة نسبيا، وتسهيل مقارنة مع غيرها من المختبرات.
التقنيات الأساسية هي طريقة غير تدخلية لتتبع الركود المادية والتحقيق رانه الكيمياء في طبقة حدود رد الفعل من قبل الطيفي الانبعاثات. تطبيق التصوير فائق السرعة هي تقنية واضحة ولكن العناية يجب أن يؤخذ مع المواءمة بين نظام الكاميرا وإشعاع سطح المتوقع. زمن التعرض القصير في ترتيب ميكروثانية قليلة يساعد على تجنب تشبع من مستشعر الكاميرا.
ويذكر أن عدد من التقنيات التصويرية لablator الركود في الأدب، على سبيل المثال Löhle وآخرون. 34. فهي متفوقة على تقنية لدينا بسبب التصوير من سطح ablator كله في دقة أعلى. والمؤلفون على قرار من 21 ميكرون، وهو ما يقرب من واحد أمر من حجم أعلى من التقنية المعروضة في عملنا. ومع ذلك، وتركيب الإعداد والمعايرة، ومرحلة ما بعد المعالجة التصويري وتستغرق وقتا طويلا (تقرير المؤلفين 1 يوم / اختبار)، ويطلب من اثنين من الموانئ البصرية في حالة وجود اثنين من الكاميرات المستقلة لاستخدامها. حملات الاختبار التي تتطلب ن عاليةبني مصفر من عينات الاختبار جعل هذا التطبيق مكلفة جدا. يتم تعيين تقنية الواردة في هذا البروتوكول بسهولة ويمكن القيام به مرحلة ما بعد المعالجة مع الأدوات الرقمية القائمة. اجتمع أسلوبنا الهدف الهدف من اتباع الركود السطح في الموقع. دقة تقنية لدينا يمكن زيادة مع الكاميرا القرار أعلى أو البؤري أعلى من النظام البصري. ومع ذلك، إذا كان التحليل المادي يتطلب قرار مكانية عالية من تفاصيل السطح، نقترح توظيف تقنيات المسح التصويري.
الرعاية يجب أن يؤخذ مع محاذاة ومعايرة النظام البصري للالطيفي الانبعاث الضوئي (التضامن الإماراتي). هذه التقنية محدودة لقياسات خط البصر ويتم تقييد بالتدقيق على الذرات المثارة إلكترونيا والجزيئات. ولكن بساطته وارتفاع العائد على الاستثمار لا يزال يحكم على تقنيات أكثر تقدما مثل على سبيل المثال مضان الليزر التي يسببها (ليف) التحليل الطيفي، وهومن الصعب تنفيذ بالقرب من السطح خلال تحليل الاجتثاث. على الرغم وقد تم بنجاح تطبيق ليف التحليل الطيفي للتحقيق في أعداد الأنواع دولة أرض الواقع في freestream البلازما 39،40، والقياسات ليف في الطبقة المتاخمة نادرة نسبيا. وذكرت قياسات شافي أمام عينة كربيد الساخنة التي Feigl 41 ولكن لم تجر حتى الآن طريقة لablating السطوح. سطح انحسار للablator يحظر مرات قياس طويلة في الطبقة الحدودية. وبصرف النظر عن هذا وأنظمة ليف مكلفة جدا نظرا لارتفاع عدد عناصر محددة.
تطور المكاني والزماني للمنتجات الاجتثاث هو من مصلحة لهذا المنشور، والتي يمكن أن تقوم نسبيا ببساطة عن طريق التحليل الطيفي الانبعاثات. ثلاثة دقة منخفضة، خدم الطيف مجموعة واسعة للكشف عن الذرات والجزيئات الحالية خلال اختبار الاجتثاث متعددة. مقاعد البدلاء التشخيص البصري يتألف من عدسة ضوء جمع، وهما مرآةالصورة، والألياف البصرية واحد لكل من الطيف الثلاثة. كان من المهم بالنسبة الإعداد البصري أن أي ضوء، إلا أن تركز العدسة، بلغ الألياف البصرية.
إذا كان يتم درس مادة pyrolyzing، وطرد العديد من المواد الهيدروكربونية من المواد، والتي هي منتشرة في كل مكان في لهيب الاحتراق، مثل على سبيل المثال الهيدروجين (سلسلة بالمر، α H و H β)، C 2 (نظام سوان)، CH، OH، NH 42. ويمكن الكشف عن هذه مع هذا الإعداد. عدة مجموعات بحثية تطبق مؤخرا الطيفي الانبعاثات لتحليل طبقة حدود رد الفعل حول تشكيل الجر المواد الدرع الواقي من الحرارة 19،22،43،44. ماكدونالد وآخرون. 22 الاختبارات الاجتثاث مسبقة التشكيل في إضافة بالحث البلازما. الإعداد يتألف من مشابهة منخفضة الدقة مطياف مع قرار الطيفي 1.16 نانومتر، وهي أقل من القرار التي قدمتها مطياف المستخدمة في الإعداد لدينا. من قسم التدريب والامتحانات الأوليةكان شكل ر عينة اسطوانة، التي تعاني من حافة الاجتثاث قوي، كما يدل على ذلك ارتفاع درجة حرارة سطح الأرض خلال الاختبار. وبالتالي، فإن طبقة حالة الحرارية الحدود ربما تغيرت خلال التجربة، مما يعقد إجراء تحليل على متوسط الفترة الزمنية. لم عينة الاختبار نصف كروية تستخدم لتحليلنا لا تواجه حافة الاجتثاث والحفاظ على شكله أثناء 30-90 ثانية وقت الاختبار 45.
هيرمان وآخرون. 44 توفير النتائج الأولى على اقتران الإشعاع الاجتثاث في منشأة arcjet magnetoplasmadynamic تطبيق التحليل الطيفي الانبعاثات. هذا هو من مصلحة عليا للمجتمع العلمي كما لم يكن هناك الكثير من التحقيق في مدة طويلة مرافق الاختبار الأرض حول هذا الموضوع. للأسف، والإبلاغ عن أي سلوك الزمني لانبعاث أمام المواد pyrolyzing. أطيافها في نطاق 300-800 نانومتر كان متصلا إلى الطيف الكامل خلال مرحلة ما بعد المعالجة من شرائح الطول الموجي 120 نانومتر، التي تشاnging مركز الطول الموجي من مقياس الطيف المستخدمة. وبالتالي، تم اتخاذ عدة أطياف مع مرور الوقت لتغطية النطاق الطيفي الكامل. وإذا كانت المادة الجر، CBCF التشكيل وAsterm في قضيتهم، شهدت السلوك الزمني القوي الناجم عن كلا عابرة طرد الغاز الانحلال الحراري وسطح الاجتثاث، وهذا قد تزوير الطيف متوسط زمنيا.
ميزة واحدة من الطيف المعروضة في عملنا هي بالتالي النطاق الطيفي واسعة (200-900 نانومتر) مقارنة مع شق الطيفي، مما يؤدي عادة في نطاق الحد الأقصى 120 نيوتن متر عند أدنى القرار. النطاق الطيفي واسعة لوحظ مع اكتساب واحد يسمح للمراقبة من الأنواع المختلفة في الطبقة المتاخمة، والناتجة عن عمليات الاجتثاث والانحلال الحراري، مثل الأنواع الهيدروجين التي تحتوي على (OH، NH، CH، H)، والمساهمين الكربون (C، CN، C 2)، والملوثات (الصوديوم، K). ومع ذلك، إذا تحول نوع واحد وفقط هو من مصلحة، قد تكون عالية الدقة طولية الطيف تطبيق ورقةالعبوات الناسفة، التي يسمح كذلك مسح البيانات الشخصية الانبعاثات شعاعي كامل كما كان يؤديها هيرمان وآخرون. 44
تطبيقات البيانات التجريبية هي، على سبيل المثال، والمصادقة من جانب CFD رموز استجابة والمادية. وقد تم مؤخرا وضعت مدونة خط الركود مع حالة الحدود الجر في VKI لاستنساخ مجال تدفق على طول خط ركود الهيئات الكروية في VKI Plasmatron 46. وقد قدم مقارنة أولية من انبعاث طبقة حدود التجريبية مع التشكيلات المحاكاة في أماكن أخرى 45.
كان التحليل الميكروسكيل من العينات التي تم فحصها يدل على ظواهر تدهور مختلفة من ألياف الكربون في الهواء البلازما والنيتروجين. مورفولوجيا جليد لوحظ من الألياف ذاب مزيد من الدعم افتراض الاجتثاث التي تسيطر عليها ونشرها، كما اقترحت معدلات الركود متطابقة تقريبا تحت ضغط منخفض (15 هكتوبسكال). وعلاوة على ذلك، فإن abseالامتحانات التنافسية الوطنية من أكسدة المواد الداخلية يجادل ضد تدفق أو نشر الغازات طبقة الحدود الساخنة في عينة الاختبار التي يسهل اختراقها. هذه الأكسدة الداخلية، كما درس عدديا ونغ وآخرون لPICA 47، يمكن أن يؤدي إلى هيكل من ألياف أضعف، مما تسبب في عطل ميكانيكي من المواد، على سبيل المثال، في شكل تشظية 48،49. ولذلك، فإننا نقترح عالية تحليل الميكروسكيل العام جنبا إلى جنب مع اختبار عالية المحتوى الحراري للمواد الكربون المركب التي يسهل اختراقها لتطبيقات الدرع الواقي من الحرارة. والهدف النهائي من تحليل الميكروسكيل يكون التعرف على نشاطية الجوهرية من ألياف الكربون. الصور حل مكانيا يمكن أن تقدم مثل هذا التحليل، على سبيل المثال، من خلال التصوير المقطعي الصغيرة التي ينفذها بانيراي وآخرون. 50. وقد وضعت مدونة المادي على VKI استخدام متقطع تفريد Galerkin لمحاكاة مجمع استجابة الحرارية من المواد المركبة الجر في عمق 51 .هذا كود يستفيد من ثور جديدough مكتبة الفيزيائية والكيميائية الطفرة ++، وتوفير الخصائص الحرارية ونقل مخاليط الغاز، بما في ذلك حساب كل من معدل محدود الغاز المرحلة الكيمياء ومتجانسة / الغاز غير المتجانسة / الصلبة الغاز التوازن الكيمياء 52. ونحن نتوقع مقارنة البيانات التجريبية لدينا إلى رمز الاستجابة المادي، التي هي قادرة على تمثيل الدولة الميكروسكيل من وسط مسامي.
The authors have nothing to disclose.
ويدعم هذا البحث من B. Helber من زمالة وكالة للإبداع من خلال العلوم والتكنولوجيا (IWT، ملف # 111529) في فلاندرز، والبحث من الشركة المصرية للاتصالات Magin من قبل مجلس البحوث الأوروبي ابتداء غرانت # 259354. ونحن نعترف السيد ب كولين لمساعدته القيمة كمشغل Plasmatron. نحن نعترف بامتنان قانون جورج وستيفن Ellacott لتوفير مواد الاختبار والدعم بالمعلومات.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved