Presentazione 26-01-12
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Il documento presenta un'analisi termografica di un dimostratore di scudo termico per una capsula di rientro, progettato per ridurre l'ingombro durante il lancio. Vengono descritti i test condotti nel tunnel ipersonico 'Scirocco', le problematiche riscontrate con i pirometri e le misurazioni termiche che evidenziano le differenze di temperatura tra le aree della capsula. I risultati finali indicano la necessità di calibrazione per le termocamere e la rilevanza di un rivestimento adeguato per la gestione termica durante il rientro.
![30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
Parametri del test
H0
[MJ/Kg]
P0
[bar]
mAir
[kg/s]
mArgon
[kg/s]
M To
[K]
PArc
[MW]
td
[s]
PTC
[mbar]
PExit
[mbar]
10.5
± 1.62
2.49
± 0.21
0.49
± 0.03
0.025
± 0.001
9.8 6370
10.69
± 0.22
274
0.030
± 0.001
0.070
± 0.005
Free jet
0.110
± 0.001
0.060
± 0.005
Model
in
Posizionamento strumenti
- 2 pirometri single color
- 4 pirometri dual color
- 2 termocamere](https://image.slidesharecdn.com/046d27c8-ff9a-4615-822d-b1378acba0ed-160630095225/85/Presentazione-26-01-12-7-320.jpg)
Presentazione 26-01-12
- 1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II” FACOLTÀ DI INGEGNERIA corso di laurea specialistica in INGEGNERIA AEROSPAZIALE E ASTRONAUTICA (Classe delle Lauree in Ingegneria Industriale n. 10) PRESENTAZIONE FINALE ANALISI TERMOGRAFICA DI PROVE IN GALLERIA IPERSONICA “SCIROCCO” SU UNA CAPSULA DI RIENTRO DISPIEGABILE RELATORE: Ch.mo Prof.Ing. Raffaele Savino CO-RELATORE: Ing. Federico De Filippis CANDIDATO: Daniel Guariglia matr. 335/258 Anno Accademico 2011/2012
- 2. IRENE: Italian Re-Entry NacellE -Studio di fase 0 finanziato dall’ASI - Realizzato dal consorzio di ricerca ALI Problema Ridurre l’ingombro dello scudo termico al lancio, quando non serve. Soluzione Dispiegare lo scudo termico solo prima del rientro in atmosfera Come Realizzando uno scudo termico che si apre come un ombrello 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
- 3. Profilo di missione - Lancio con scudo termico chiuso - Operazioni in orbita - Apertura dell’ombrello - Rientro - Apertura del paracadute 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
- 4. Il dimostratore - Scala 1:4 della capsula IRENE - Utilizzo di materiali economici e facilmente lavorabili - Nose in schiuma di silice - Parte flessibile realizzata in tessuti ceramico 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
- 5. Struttura dello scudo termico Ceramic fabric Flame Stopping Dot Paper 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
- 6. Installazione del dimostratore in “Scirocco” - Punto di ristagno ricoperto da una speciale vernice per diminuire la porosità superficiale - Problemi di lettura della temperatura per i pirometri single color già incontrati durante esperimenti al DIAS sia con il tessuto ceramico che con il materiale del nose 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia
- 7. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Parametri del test H0 [MJ/Kg] P0 [bar] mAir [kg/s] mArgon [kg/s] M To [K] PArc [MW] td [s] PTC [mbar] PExit [mbar] 10.5 ± 1.62 2.49 ± 0.21 0.49 ± 0.03 0.025 ± 0.001 9.8 6370 10.69 ± 0.22 274 0.030 ± 0.001 0.070 ± 0.005 Free jet 0.110 ± 0.001 0.060 ± 0.005 Model in Posizionamento strumenti - 2 pirometri single color - 4 pirometri dual color - 2 termocamere
- 8. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Posizionamento strumenti Pirometri single color - M67S, 600 – 1000 °C - M67S, 400 – 800 °C Pirometri dual color - Impac IGAR 12-LO, 300 – 1000°C - Impac Infratherm ISQ 5, 800 – 2500°C - M77S, 1000 – 3000 °C - M77S, 700 – 1400 °C Termocamere -Thermovision Agema 900, 250 – 1500 °C -Thermovision Agema 900, 250 – 2000 °C Mikron M77 dual color 700-1400 °C Mikron M67 single color 600-1000 ° Impac IGAR dual color 300-1000 °C Mikron M67 single color 400-800 °C Impac Infratherm ISQ5 dual color 800- 2500 °C Mikron M77 dual color 1000-3000 °C Impac IGAR dual color 300-1000 °C Mikron M67 single color 400-800 °C Mikron M77 dual color 700-1400 °C Mikron M67 single color 600-1000 °C Impac Infratherm ISQ5 dual color 800- 2500 °C Mikron M77 dual color 1000-3000 °C Mikron M77S dual color 1000-3000 °C IMPAC IGAR dual color 300-1000 °C Mikron M77S dual color 700-1400 °C IMPAC ISQ5 Infratherm dual color 800-2500 °C
- 9. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Istanti iniziali e finali del test
- 10. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Dati dei pirometri Pirometri che non hanno dato una lettura - Impac IGAR 12-LO, 300 – 1000°C - Impac Infratherm ISQ 5, 800 – 2500°C Pirometri che hanno dato una lettura - Mikron M77S, 1000 – 3000°C - Mikron M77S, 700 – 1400°C Mikron M77S dual color 1000-3000 °C IMPAC IGAR dual color 300-1000 °C Mikron M77S dual color 700-1400 °C IMPAC ISQ5 Infratherm dual color 800-2500 °C
- 11. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Confronto tra pirometro e termocamera sul punto di ristagno - I profili combaciano in fase iniziale. - In fase finale la vernice si è ossidata ed ha aumentato la sua emissività. - L’emissività è bassa perché lo specchio assorbe nella banda del termografo. ε = εmat ∙ α - A causa dell’assorbimento il dual color ha iniziato a registrare in ritardo.
- 12. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Temperature prima della calibrazione Lo specchio ha un basso coefficiente di riflessione Calibrazione della termocamera con lo specchio Trattamento dei dati con la nuova curva di calibrazione Immagine termografica dall’alto all’istante t = 0 s Immagine termografica con lo specchio all’istante t = 0 s
- 13. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Calibrazione della termocamera ) OS R ε(F B T ln
- 14. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Calibrazione in camera di prova fino a 1000°C Setup sperimentale - Corpo nero M315 nel punto dove si trovava il dimostratore - Acquisizione dell’OS fino a 1000°C, limite superiore di questo corpo nero. termocamera oblò specchio specchio corpo nero
- 15. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Calibrazione fino a 1500 °C Setup sperimentale - Corpo nero M390 600 – 3000°C non posizionabile in camera di prova - Rilevazione angoli e distanze tramite programma CAD - Ricostruzione condizioni della camera di prova
- 16. 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Risultati della calibrazione - Sono stati ottenuti i nuovi parametri R, B ed F - E’ stato ricavato che lo specchio ha un fattore di assorbimento pari a circa: α = 0.24 Calcolo emissività vernice sul nose - Tramite le nuove costanti è stata possibile ricavare l’emissività della vernice sul punto di ristagno del dimostratore. - Emissività iniziale: ε = 0.708 - La vernice si è ossidata durante la prova ed ha aumentato il suo valore emissivo fino a: ε = 0.733
- 17. Campo di vista dall’alto III IV II I Campo di vista riflesso sullo specchio Tempi caratteristici t = 0 s t = 33 s t = 274 s t = 284 s t = 291 s t = 324 s Immagini della termocamera dall’alto, ε = 0.87 - Sono visibili le stecche di supporto sotto al tessuto. - Nell’istante iniziale c’è una differenza tra il punto di ristagno (verniciato) ed il resto del nose. - Negli istanti finali si vede una differenza di temperatura tra il settore III e IV.
- 18. Profili di temperatura nel tempo, ε = 0.87 Punto 2 Punto 3 Punto 1 Punto 4 Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5 Punto 6 Punto 7 Punto 8 Punto 7Punto 6 Punto 5 Punto 8 Punto 9 Punto 10 Punto 11 Punto 12 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia Punto 11 Punto 10 Punto 9 Punto 12 - Le temperature più alte sono nella zona di tessuto a contatto con le stecche (punti 1 e 4). - I layers di tessuto sono pressati sulle stecche. Tali zone, quindi, appaiono più emissive. - I punti nel settore IV (punti 3 e 4), più spesso, hanno temperature più alte dei punti analoghi sul settore III (punti 1 e 2), più sottile. -Le temperature maggiori, ancora sono sulle stecche (punti 5 e 8). - Il punto 8, nella zona di tessuto più spesso, appare più caldo del suo omologo nella zona più sottile (punto 5). - I punti 6 e 7, posti nella zona di tessuto libero, hanno andamenti coincidenti. Il diverso spessore, del tessuto non incide sulla temperatura -Temperature maggiori in corrispondenza delle stecche (punti 9 e 12). - Il punto 12, nella zona di tessuto più spesso, appare più caldo del suo omologo nella zona più sottile (punto 9) - I punti 10 e 12, posti nella zona di tessuto libero, hanno andamenti coincidenti. Il diverso spessore, del tessuto non incide sulla temperatura
- 19. - Temperature massime sulle linee 2 e 3 in corrispondenza del tessuto sopra le stecche. - Temperature minime sulle linee 1 e 2 nelle zone di tessuto libero. - Massima differenza di temperatura sulla stessa linea si ha con la linea 2, tra zona libera e la zona sopra le stecche (ca 200°C). Profili di temperatura su linee caratteristiche a t = 33 s, ε = 0.87 . Massime temperature registrate Linea 4 Linea 5 Linea 6 Linea 7 Linea 3 Linea 2 Linea 1 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia - Temperature sulle stecche nettamente più alte di quelle sul tessuto libero. - Il settore più spesso, appare più caldo sulle stecche (linea 7) del settore meno spesso (linea 4). - Lievissime differenze di temperatura nelle zone si tessuto libero (linee 5 e 6). - Graduale aumento di temperatura della zona di tessuto libero (linee 5 e 6) all’avvicinarsi della piastra di ancoraggio del tessuto. Per questo motivo la linea 3 appare più calda della linea 2
- 20. - La linea 1, più vicina al nose, rimane calda più a lungo. - Si vede una differenza di temperatura tra il settore più spesso (a destra) e quello più sottile, dell’ordine dei 30 °C. - La linea 3 appare più calda per la vicinanza alla piastra di ancoraggio Profili di temperatura a t = 324 s, ε = 0.87 40 s dopo lo spegnimento Linea 4 Linea 5 Linea 6 Linea 7 Linea 3 Linea 2 Linea 1 30/01/12 Seduta di Laurea – Daniel Guariglia - Sul nose rimangono temperature elevate - le linee sul tessuto più spesso (6 e 7) appaiono più calde di quelle sulla zona più sottile (linee 4 e 5), anche se di poco.
- 21. Immagini della termocamera dall’alto, ε = 0.87 Campo di vista dall’alto III IV II I Campo di vista riflesso sullo specchio II I IV t = 0 s t = 33 s t = 274 s t = 284 s t = 291 s t = 324 s - Il punto di ristagno appare più freddo perché la vernice ha una emissività minore del materiale non verniciato. - In fase di raffreddamento il punto di ristagno è effettivamente più caldo del resto del nose poiché emettendo di meno si raffredda più lentamente - Negli istanti finali si vede una differenza di temperatura tra il settore I (più spesso) ed i settori II e IV (più sottili).
- 22. Conclusioni -E’ stato trovata la configurazione ottimale dei pirometri attraverso un software CAD. - E’ stata confermata la necessità di utilizzare una vernice per indagare con i pirometri il materiale ceramico del nose, per via della elevata porosità superficiale, ed è stato calcolato il potere emissivo di tale vernice. Valore che, comunque, risulta essere più basso di quello del materiale non verniciato, con conseguente ritardo nel raffreddamento. - Inoltre si conferma l’impossibilità di indagare il tessuto ceramico con i pirometri a causa sia della bassa emissività del materiale stesso sia della trama costituente il tessuto. - E’ stato utilizzato uno specchio per la ripresa del punto di ristagno con una termocamera ed un pirometro. Ciò ha reso necessaria una calibrazione della termocamera con lo specchio. Sono state, quindi, ricavate le nuove costanti e le curve di calibrazione con cui post-processare i dati acquisiti dalla termocamera. - Sono state analizzate criticamente le immagini termografiche e sono stati estratti i profili di temperatura nel tempo su punti e su linee caratteristiche. - Si evidenzia come il diverso spessore del tessuto ceramico non influisca sulla temperatura superficiale se non in avanzata fase di raffreddamento con una differenza minima. - Si registrano temperature più elevate in corrispondenza delle stecche di supporto a causa del compattamento degli strati su queste. Ciò causa un apparente aumento di emissività del materiale, e, verosimilmente, un aumento della trasmissione di calore verso le stecche stesse.