title: Analyse der Spallation von Hitzeschutzmaterialien in Wiedereintrittsströmungen
title: Analysis of spallation of thermal protection materials in reentry flows
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Grigat, Felix
Publisher: name: Universität Stuttgart
Year: 2024
Subjects: subject: 620

description: In der vorliegenden Arbeit wird das Phänomen der Spallation, das Absplittern fester Partikel aus der Oberfläche ablativer Hitzeschutzmaterialien, experimentell untersucht. Reine Kohlenstoffmaterialien sowie Kohlenstoff-Phenolharz Materialien werden in Plasmawindkanalanlagen unter drei verschiedenen Strömungsbedingungen getestet. Das Ablationsverhalten der Materialproben wird mit einem hierfür entwickelten experimentellen Aufbau mit unterschiedlichen Messverfahren im Detail charakterisiert. Die bei diesen Untersuchungen verwendeten Messverfahren sind Stereophotogrammetrie zur Messung der Rezession, eine Hochgeschwindigkeitskamera zur Detektion von Spallationspartikeln, optische Emissionsspektroskopie zur Vermessung der Strahlung von Ablationsprodukten in der Strömung, Thermographie und Pyrometrie zur Oberflächentemperaturmessung sowie Druckmessungen innerhalb der Materialproben zur Analyse des Pyrolysedrucks. Die untersuchten Materialien sind der in der Arbeitsgruppe HEFDiG entwickelte Kohlenstoff-Phenolharz Ablator HARLEM, der Kohlenstoff-Phenolharz Ablator ZURAM sowie die zwei reinen Kohlenstoff Materialien Calcarb und Fiberform. Die erforderliche Genauigkeit der Messung der Oberflächenrezession während der Experimente wird mit der photogrammetrischen Messmethode erreicht. Diese Messungen bilden die Grundlage für die Charakterisierung des Ablationsverhaltens der Materialproben. Hierzu wird der photogrammetrische Messaufbau für Anwendungen am Plasmawindkanal optimiert. Die Spallation wird untersucht, indem die Anzahl der Spallationspartikel mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst wird. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, um die Partikel automatisch zu identifizieren. Es wird gezeigt, dass phenolhaltige Ablatoren im Vergleich zu reinen Kohlenstoffmaterialien eine geringere Menge an Spallationspartikeln abgeben und dass der Anteil von Spallation am Gesamtmassenverlust bei phenolhaltigen Ablatoren um bis zu 50% geringer ausfällt. Die Analyse der Partikeltrajektorien zeigt, dass sich die Partikel im Gegensatz zu häufig in der Literatur getroffenen Annahmen nicht wesentlich stromaufwärts bewegen. Druckmessungen im Ablator ergeben Drücke von bis zu 276 hPa in den phenolhaltigen Kohlenstoffablatoren HARLEM, wobei eine Korrelation mit dem Ausströmen von Pyrolysegasen, aber keine mit der Spallationsrate beobachtet wird. Dies deutet darauf hin, dass Pyrolysegase nicht, wie oft angenommen, zu Spallation führen. Die Untersuchungen zeigen auch eine Obergrenze der Menge des im Kohlenstoffmaterial eingebrachten Phenolharzes auf. Ist diese zu hoch, so können die entstehenden Pyrolysegase beim Wiedereintritt nicht entweichen, sodass der zu hohe Druckanstieg zum mechanischen Versagen der gesamten Materialprobe führt. Der Einfluss von Scherkräften und Oxidation auf die Partikelbildung wird durch Vergleiche unterschiedlicher Versuchsbedingungen analysiert. Die Rezessionsrate und die Anzahl von Spallationspartikeln ist in einer reinen Stickstoffströmung deutlich reduziert im Vergleich zu einer Luftströmung gleicher Wärmestromdichte. Weiterhin zeigt sich in einer Strömung mit einem hohen dynamischen Druck eine deutliche Zunahme der Rezession und der Anzahl der Spallationspartikel. Damit wird gezeigt, dass Oxidation und Scherkräfte für die Spallation eine wesentlich wichtigere Rolle spielen als die bloße Sublimation des Materials. Des Weiteren wird das Strömungsfeld vor dem Ablator mittels Emissionsspektroskopie untersucht. Hierbei wird festgestellt, dass sich die Präsenz von Spallationspartikeln nicht auf die Strahlungsemission der Ablationsprodukte auswirkt. Diese wird im Wesentlichen durch das Ausgasen von Pyrolyseprodukten bestimmt. Die Auswertung der mittels eines Czerny-Turner Spektrometers gemessenen Strahlung des CN Moleküls bestätigt diese Beobachtung. Die Untersuchung der zeitlichen Verläufe der Teilchendichten von CN zeigen, dass die Anzahl an Spallationspartikeln nicht entscheidend ist für die Menge an CN Molekülen in der Strömung. Der Einfluss von Spallation auf die Strömung fällt damit deutlich geringer aus als bisher aus der Literatur bekannt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zusammenfassend überwiegt weiterhin der negative Aspekt des erhöhten Massenverlusts durch Spallation. Daher ist Spallation ein unerwünschter Effekt und sollte bei der Auslegung von Hitzeschilden reduziert werden.