Experimental Study of the Erosion Process of Thermal Protection Systems of Re-Usable Space Crafts Containing SiC Using Laser Induced Fluorescence

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Erosionsprozesses von siliziumhaltigen Hitzeschutzmaterialien am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart. Hitzeschutzmaterialien sind notwendig, um Flugkörper bei einem Eintritt in eine Planetenatmosphäre zu schützen. Der Flugkörper ist in dieser Phase einer aggressiven Umgebung ausgesetzt. Die hohe Geschwindigkeit, d. h. die kinetische Energie des Eintrittskörpers, wird durch einen sich vor dem Raumflugzeug ausbildenden Verdichtungsstoß teilweise in innere Energie der Umgebungsteilchen umgesetzt. Für einen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre bedeutet das, daß Hitzeschutzmaterialien atomarem und teilweise ionisiertem Sauerstoff und Stickstoff ausgesetzt sind. Ein auf Siliziumkarbid basierendes Hitzeschutzmaterial oxidiert in einer solchen Umgebung in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur und des Totaldrucks vor dem Material. Es werden zwei Oxidationsmechanismen unterschieden, die passive und die aktive Oxidation. Eine passive Oxidation findet statt, wenn die Umgebungsbedingungen die Ausbildung einer Schutzschicht aus Siliziumdioxid erlauben. Eine aktive Oxidation ist gekennzeichnet durch einen Abbau dieser Schutzschicht oder einen Abbau des Hitzeschutzmaterials. Siliziummonoxid spielt eine zentrale Rolle in der Unterscheidung der Oxidationsmechanismen. Das Auftreten von Siliziummonoxid kann als Indikator für einen Wechsel im Oxidationsverhalten gedeutet werden, da es fast ausschließlich während der aktiven Oxidation gebildet wird. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die spektroskopische Meßmethode der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) verwendet, um das Umschlagsverhalten im Oxidationsmechanismus zu beschreiben. Eine Untersuchung mit Hilfe der Methode der LIF liefert Ergebnisse, die orts- und zeitaufgelöste Aussagen für einzelne Teilchenarten ermöglicht. Das Erosionsprodukt Siliziummonoxid wurde anhand theoretischer Überlegungen für eine selektive Anregung durch die LIF/ planare LIF (PLIF)-Methode ausgewählt und während eines Übergangs von passiver zu aktiver Oxidation detektiert. Siliziummonoxid wurde während dieser Arbeit erstmals mit einer laserspektroskopischen Meßmethode im Erosionsprozess von Hitzeschutzmaterialien detektiert. Es wurden Spektrensimulationen von SiO erstellt, um den experimentellen Ansatz theoretisch zu untermauern und um geeignete Spektrallinien für LIF- und PLIF- Untersuchungen zu identifizieren. Punktmessungen mit LIF ermöglichten Sensitivitätsanalysen und eine Vorbereitung der planaren Messungen. Einflußnehmende Größen, wie z. B. Laserstrahlintensitätsprofile wurden eingehend untersucht und in die Datenauswertung eingearbeitet. Die Simulation der Eintrittsbedingungen, also die Erzeugung der spezifischen Gaszusammensetzung an der Materialoberfläche, konnte unter Verwendung von magnetoplasmadynamischen Generatoren in Niederdrucktanks erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen und bestätigen Trends im Verhalten des Oxidationsmechanismus. Der Umschlagpunkt verschiebt sich für steigenden Druck in Richtung steigender Oberflächentemperaturen bei konstantem Massendurchsatz. Höhere Anströmgeschwindigkeiten führen zu einer Transition bei niedrigerem Sauerstoffpartialdruck und eine Schadstelle im Material oder eine lokale Überhitzung kann ein Startpunkt für das Einsetzen einer aktiven Oxidation sein. Der Dicke der Schutzschicht kommt eine besondere Bedeutung zu. Sie bestimmt im wesentlichen den Umschlagpunkt und auch die Art des Umschlags. Es lassen sich zwei verschiedene Arten Umschlag von passiver zu aktiver Oxidation definieren. Der Umschlag von aktiver zu passiver Oxidation in Abhängigkeit des Sauerstoffpartialdrucks und der Umschlag von passiver zu aktiver Oxidation mit einer dicken Schutzschicht, bei der die Oberflächentemperatur so hoch ist, daß die SiO2-Schutzschicht schmilzt und Bläschen gebildet werden. Dieser Vorgang ist durch einen plötzlichen Anstieg der Oberflächentemperatur zu identifizieren. Die erarbeiteten Resultate sind ein weiteres Bindeglied zum besseren Verständnis des Erosionsverhaltens von keramischen Hitzeschutzmaterialien.The Institute of Space Systems at the University of Stuttgart uses arcjets to simulate atmospheric entry in support of thermal protection material tests. Partly dissociated oxygen and nitrogen characterize the high enthalpy environment that these vehicles encounter during re-entry. Depending on surface temperature and pressure, this aggressive environment can lead either to a passive oxidation or an active oxidation mechanism. SiO plays a major role in the determination of the oxidation mechanism. It can serve as an indicator of the transition point and help identify the impact of certain boundary conditions on the oxidation behavior. In this work, the erosion behavior of silicon carbide (SiC) is investigated experimentally by the use of laser-induced fluorescence (LIF) and planar laser-induced fluorescence (PLIF) on silicon monoxide (SiO). Silicon monoxide was found in front of a plasma heated Si- material during the transition from passive to active oxidation. For the first time, SiO was monitored by laser-induced fluorescence in the field of re-entry research. The results of single point LIF encouraged the use of the two dimensional method of PLIF. Planar laser-induced fluorescence was applied to get a two dimensional picture of the reaction zone in front of Si and SiC. A phenomenon was discovered, when air was used as the working gas to heat Si. No SiO signal could be detected, even when Si started to melt. The silicon formed a droplet on the surface without any production of SiO. Consequently, an experiment was conducted, in which nitrogen was added to an Ar/O2 plasma flow. The temperature of the silicon was 1320 °C and SiO fluorescence was monitored. Inserting a small amount of nitrogen, makes the SiO signal disappear, indicating that SiO formation is inhibited and that Si or O/ O2 is consumed by atomic nitrogen. Reaction enthalpy balance calculations by Hald suggest the production of SiN. In other experiments, it was observed that active oxidation started in the highly heated point, but expanded in a short time frame over the surface of the whole probe. This results in the statement, that the process not only affects the region exposed to a extremely high heat load, but involves a bigger part of the material once active oxidation starts. Also, as a general rule of thumb, one can state that increasing the total pressure leads to increasing onset temperatures for the active oxidation. Increasing gas velocities reduce the critical partial pressure of oxygen, thus also reducing the onset temperature. The transition passive/active results in an origination and an increase of the SiO signal. The nature of the slope however varies. Some transitions are characterized by a very sudden production of SiO, while others are increasing slowly. This is probably due to changing diffusion characteristics of the protective silica layer and especially the thickness of the protective layer. The results requested a more specific definition of active oxidation. Usually, the active oxidation is defined by a particular partial pressure of oxygen. Below this partial pressure, active oxidation occurs. Above this partial pressure SiO2 can form and passive oxidation occurs. This critical partial pressure is strongly depending on the temperature of the material and on the velocity of the surrounding gas. In those experiments, the commonly used definition of active / passive oxidation transition is accurate. This definition can be applied to the conditions in this report that generated SiO, but did not produce a sudden increase in temperature. The active oxidation mode with a leap in temperature is most likely caused by a rapid break-up of the protective layer and therefore determines the upper limit of the usability of the material. The critical partial pressure is still depending on the temperature of the material and on the velocity of the surrounding gas, however the sensitivity of the transition towards the partial pressure decreases significantly. Experimental results show active oxidation with a leap in temperature in an environment, where there is excessive oxygen available to form a protective SiO2 layer. Another process must force the active oxidation, which can be the described failure of the SiO2 layer. In summary, a method was developed and qualified that possesses the capability of in-situ observation of SiO production during Thermal Protection Material testing in a plasma wind tunnel. It has major advantages over other diagnostical methods due to its selective nature, its spatial resolution, and its (semi) non-intrusive character. Using LIF, the experimental proof of the major role of SiO in a transition from passive to active oxidation for silicon and silicon carbide is provided. The developed method can be applied to future research projects on Thermal Protection Materials and the results will contribute to a better understanding of the erosion process