Reconstrucción fotogramétrica de una probeta utilizada en el túnel de viento de plasma del VKI

Abstract

[ES] Durante las misiones espaciales, los sistemas de protección térmica (TPS) de los vehículos espaciales juegan un papel crucial durante la etapa de entrada atmosférica. Debido a la forma roma de estos cuerpos y a las velocidades de vuelo hipersónico, se forma una onda de choque separada que tras ella las altas temperaturas (10000K) que se alcanzan suponen un gran problema para la integridad estructural del vehículo. Los materiales ablativos permiten la protección térmica de la estructura a través de la descomposición química y de sacrificio de material (proceso conocido como ablación). Para caracterizar estos materiales el von Karman Institute for Fluid Dynamics cuenta con el túnel de viento de plasma de tipo inductivo más potente del mundo: el VKI Plasmatron. Este túnel de viento es capaz de generar plasma característico de una entrada atmosférica. Actualmente, la ablación del material se estudia con una cámara de alta velocidad situada de forma perpendicular a la muestra, pero únicamente es posible obtener resultados unidimensionales y bidimensionales. Se ha investigado si la utilización de estéreo fotogrametría, utilizando dos cámaras, permite reconstruir la evolución de la superficie en 3 dimensiones de una probeta tipo utilizada en el VKI Plasmatron. En este trabajo, se estudia cómo la posición de las cámaras, sus diferentes parámetros y métodos de calibración afectan a la reconstrucción de la probeta. Para ello, se ha utilizado el código Stereo 3D reconstruction desarrollado inicialmente por G. Martínez (TFM 2018) y mejorado por S. Cantos (TFM 2019). El ángulo que forman las cámaras es un parámetro muy importante a la hora de reconstruir una superficie, por lo que la accesibilidad visual tan reducida en el VKI Plasmatron supone un gran problema a la hora de encontrar una configuración óptima. Además, debido a las condiciones de alta luminosidad inducidas por el plasma, las cámaras deben ser configuradas y adaptadas para evitar la sobreexposición y, por tanto, la pérdida de información en las imágenes. Asimismo, se ha observado que el método de calibración mediante un patrón 3D supone una mayor flexibilidad para realizar la reconstrucción de otros objetos. El sistema fotogramétrico desarrollado en este proyecto supone un avance para el estudio de materiales ablativos en el VKI mediante un sistema económico y simple para el usuario final. Esto permitirá conocer el estado de toda la superficie expuesta al plasma sin asumir simetrías.

[EN] During space missions, the thermal protection systems (TPS) of space vehicles play a crucial role during the atmospheric entry stage. Due to the blunt shape of these bodies and the hypersonic flight speeds, a separate shock wave is formed and behind that, the high temperatures (10000K) that are typically reached pose a major problem for the structural integrity of the vehicle. Ablative materials allow thermal protection of the structure through physico-chemical decomposition in a process known as ablation. To characterize these materials, the ¿von Karman Institute for Fluid Dynamics¿ has the most powerful inductive plasma wind tunnel in the world: the VKI Plasmatron. This wind tunnel can generate plasma characteristic from an atmospheric entry. Currently, the ablation speed (recession) of the material is studied with a high-speed camera located perpendicular to the sample, but it is only possible to obtain one- or two-dimensional results. It has been investigated if the use of stereo photogrammetry, using two cameras, would allow to reconstruct the evolution of the surface in 3 dimensions of a type test sample used in the VKI Plasmatron. In this work, we study how the position of the cameras, their different parameters and calibration methods affect the reconstruction of the sample. For this, the Stereo 3D reconstruction code initially developed by G. Martínez (TFM 2018) and improved by S. Cantos (TFM 2019) has been used. The angle formed by the cameras is an important parameter in the reconstruction of the surface, so the reduced visual accessibility in the VKI Plasmatron poses a challenge to find an optimal configuration. In addition, due to the high brightness conditions induced by the plasma, the cameras must be configured and adapted to avoid overexposure and, therefore, the loss of information in the images. Likewise, it has been observed that the calibration method using a 3D pattern implies greater flexibility to perform the reconstruction of other objects. The photogrammetric system developed in this project represents an advance for the study of ablative materials in the VKI through an economic and simple system for the end user. This will allow to know the state of the entire surface exposed to the plasma without the assumption symmetries.