Characterization of testing conditions for re-entry aerospace vehicles

Abstract

[ES] Desde siempre existe un gran interés humano por explorar más allá de los confines de la tierra. Para ello se debe ofrecer seguridad en todas las fases de la exploración espacial, incluso a su regreso a la Tierra. De esta forma el vehículo, su tripulación y carga tienen que estar protegidos de las altas temperaturas que se producen durante la re-entrada en las capas superiores de la atmósfera. El Sistema de Protección Térmica, TPS se encarga de proteger térmicamente el vehículo. Esta zona promueve la disociación y ionización de las moléculas del gas, y el aire de la atmósfera se convierte en plasma. Los materiales TPS pueden ser probados en instalaciones de pruebas en tierra, como pueden ser el Minitorch y Plasmatron del Instituto Von Karman. Sin embargo, las condiciones de re-entrada no pueden ser completamente reproducidas en estas instalaciones. Por lo tanto, los experimentos de laboratorio deben ser extrapolados a las condiciones reales y la forma de proceder es mediante la aplicación de una metodología híbrida, numéricoexperimental, como se explica en el capítulo 3. El Instituto Von Karman de dinámica de fluidos es una organización educativa y científica sin ´animo de lucro que se encuentra en Sint-Genesius-Rode. Me ofreció la posibilidad de realizar un corto periodo de prácticas (STP) en el Departamento de Aeronáutica y Aeroespacial (AR) bajo la supervisión del profesor O. Chazot para la simulación y caracterización de las condiciones térmicas y químicas durante la fase de re-entrada de vehículos espaciales en la atmósfera. El principal objetivo del este Proyecto Final de Carrera es lograr una buena caracterización de las condiciones de prueba para los vehículos aeroespaciales en la re-entrada atmosférica. Con el fin de alcanzar este objetivo en un principio se investigó la dependencia paramétrica de la recopilación de datos obtenidos en el Plasmatron durante la última década. La recogida de estos datos experimentales obtenidos por ensayos en túneles de plasma, se realiza mediante variables de control tales como la presión estática de cámara, caudal de flujo másico y el nivel del generador de potencia de plasma. Los resultados experimentales de las condiciones de flujo que se pueden obtener son la presión dinámica, el flujo de calor en la zona del punto de remanso, etc ... La manera de ejecutar el análisis es mediante una base de datos recopilada y su posterior estudio en el capítulo 4 donde se investiga el flujo de plasma y su comportamiento en la instalación Plasmatron. Al mismo tiempo, y como otro objetivo plasmado en el Capítulo 5 se realiza la investigación de mediciones de presión inestable y post-tratamiento de acuerdo a eliminar o al menos reducir el nivel de ruido electromagnético producido en este tipo de señales eléctricas tomadas por sensores piezo-resistivos.

[EN] Throughout the re-entry phase in a space vehicle mission, a large amount of the kinetic energy of the hypersonic flow is transformed into thermal energy through a shock wave formed in front of the nose of the vehicle. The high temperature reached in the zone between the shock and the body nose promotes plasma ionized due to the dissociation and ionization of the molecules of the gas. Under these flow conditions occurs a chemical reacting boundary layer where the surface material could catalyze the recombining reaction of the species striking the wall, so the analysis of the catalycity of the TPS materials become necessary. In this report there is an analysis of characterization of test conditions in the high enthalpy Plasmatron facility available at the von Karman Institute for fluid dynamics, in order to obtain a better knowledge about physics and chemistry within facilities operating in such range. According to understand the impact of Plasmatron driving parameters, such as static chamber pressure (Ps), mass flow ( ˙m) and generator power (P), on the flow properties such as heat flux (QW ) or dynamic pressure (Pd) performed in experimental work of many authors during the last decade to create a database for a statistical study. Numerical tools were used such as Mutation for thermodynamic equilibrium considerations and the CERBOULA code to rebuilt the reactive boundary layer to make a comparison between experimental and numerical extensive results by mapping. The start point is the data set taken in summer 2011 by A. Cipullo and B. Helber. Furthermore, recent investigations with a piezoresistive differential sensor used in several unsteady pressure measurements are conducted in order to partially address the ubiquitous noise problem by data sets taken outside of the Plasmatron, inside in a noninjected and also injected in measuring configuration to make a comparison between all types of results. In order to go on in the research, there is a part of the report where unsteady pressure measurements are measured and compared with the values obtained with the validyne sensor. Moreover a try to look for the noise ratio in the frequency domain in measuring and non-measuring configuration but further investigations are needed because this both configuration measure should be taken simultaneously with two sensors.