TEMPERATURE SUPERFICIELLE DE MATERIAUX DE PROTECTION EN COMBUSTION

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Submitted on 1 Jan 1971

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TEMPERATURE SUPERFICIELLE DE MATERIAUX DE PROTECTION EN COMBUSTION

Jean Crabol

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Jean Crabol. TEMPERATURE SUPERFICIELLE DE MATERIAUX DE PROTECTION EN COMBUSTION. Journal de Physique Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-69-C5b-71.

�10.1051/jphyscol:1971579�. �jpa-00214798�

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TEMPERATURE SUPERFICIELLE DE MATERIAUX D E rROTECTION EN COhlBUSTION Jean Crabol

OFFICJl NATIONAL D'ETUDZS ET DE FEWRCEIES AEROSPATIAmS - CHATILMW ( f i a n c e r Résumé.- Pour é t u d i e r l e mécanisme de l ' a b l a t i o n des p l a s t i q u e s , renforcés par des f i l s de s i l i c e soumis à un échauffement i n t e n s e , un micropyromètre infrarouge a 6th m i s au p o i n t pour déterminer l e s températures s u p e r f i c i e l l e s . Les mesures e f f e c t u é e s ont montré que ces d e r n i è r e s pouvaient a t t e i n d r e 2500°K, permettant a i n s i une f u s i o n de l a s i l i c e . E l l e s mettent également e n évidence l ' a c t i o n de r é a c t i o n s de combustion des p r o d u i t s de décomposition.

Abstract.In order t o study t h e a b l a t i o n mechanism of p l a s t i c s re-inforced by s i l i c a f i b e r s under i n t e n s e heating, an i n f r a r e d micropyrometer has been designed f o r d e t e m i n a t i o n of t h e s u p e r f i c i a l temperatures. The measurements proved t h a t t h e s e temperatures could reach 2500°K enabling the s i l i o a melting and showing t h e a c t i o n of combustion r e a c t i o n s by decomposition products.

INTRODUCTIO~~

Pour é v i t e r l e s échauffements inten- s e s s u s c e p t i b l e s de d é t é r i o r e r l e s engins spa- ciaux au cours de l e u r r e n t r é e dans l1atmosphè- r e on u t i l i s e des p r o t e c t i o n s thermiques cons- t i t u é e s de matériaux a b l a t i f s . Afin de déter- miner l e s dimensions nécessaires à ces couches p r o t e c t r i c s , u n e étude p l u s fondamentale a é t é e n t r e p r i s e par llO.N.E.R.A. sous c o n t r a t de l a D.B.M.E., dont l e but e s t d'analyser l e compor- tement physico-chimique du matériau au v o i s i - nage de l a surface. Un b i l a n thermique simpli- f i é [l] permet de mettre en évidence l ' i n f l u e n - ce des d i f f é r e n t s phénomènes intervenant. Ces phénomènes d ' i n t e r f a c e sont essentiellement conditionnés par l a v a l e u r des températures a t t e i n t e s p a r l e s r é s i d u s de décomposition.

C'est l a détermination expérimentale de ces températures qui c o n s t i t u e l e s u j e t du présent t r a v a i l .

c o n s t i t u e une c a l o t t e p r o t e c t r i c e fortement hétérog&ne portée à une température au moins égale à c e l l e de l a f u s i o n de l a s i l i c e .

Cette s t r u c t u r e e n t r a î n e automatique- ment une r é p a r t i t i o n hétérogène des températu- res. Aussi pour é t u d i e r l e comportement thermi- que de l a surface, il e s t indispensable d ' u t % - l i s e r un micropyromètre à balayage ayant un pouvoir de r é s o l u t i o n i n f é r i e u r aux dimensions

moyennes des a s p é r i t é s . L'appareil r é a l i s é pour c e l a comporte un t r a n s p o r t d'image, q u i forme 1 'image de l a source à grandissement 1 dans l e p l a n d'un disque percé de fentcsmodu- l a n t l e rayonnement à 2500 Hz. Un o b j e c t i f de microscope analyse c e t t e image e t e n reforme une deuxième dans l e p l a n d'un diaphragme pla- cé devant l e récepteur. La zone a i n s i v i s é e e s t sensiblement un c e r c l e de 0,1 mm de diamètre.

Le balayage e s t assuré par l a d é v i a t i o n des rayons lumineux provoquée par l a r o t a t i o n d'une lame à f a c e s p a r a l l e l e s interposée. Il e s t dé- L

$

APPAREI LUGE EDERIMENTAL terminé à chaque i n s t a n t par un système optique

Iss matériaux é t u d i é s sont o o n s t i t u é s repérant l a p o s i t i o n de l a lame. Le s i g n a l a l - de p l a s t i q u e s renforcés p a r des f i l s de s i l i c e .

Ils sont usinés sous forme de maquettes cylin- driques terminées par une c a l o t t e sphérique. Ces nnquettes sont soumises à un j e t de gaz à haute e n t h a l p i e provenant d'un générateur de plasma de 2 à 10 MVi alimenté avec de l ' a i r ou de l ' a - zote. Sous l ' a c t i o n des f l u x de chaleur inten- s e s , il se produit e n surface une transformation des matériaux donnant un r é s i d u carboné dQ à l a d6composition de l a r 6 s i n e s u r lequel s'écou- l e n t l e s f i l s de s i l i c e fondus. Cet ensemble

t e r n a t i f fourni par l a c e l l u l e photo-onductri- ce e s t redressé mais non démodulé.

Des étalonnages p r é a l a b l e s ont permis de v é r i f i e r que l a r é s o l u t i o n optique du pyro- mètre é t a i t respectée, de déterminer l a courbe du déplacement de l a zone v i s é e e n f o n c t i o n du temps, e t l a courbe du s i g n a l obtenu e n fonc- t i o n de l a température d'un corps n o i r v i s é p a r 1 'appareil.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1971579

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J. CRABOI

RESULTATS D'ESSAIS.

Pour c e s mesures l e micropyromètre e s t placé è JO cm de l a zone a b l a t é e dont il balaye e n 100 millisecondes un élément pratiquement l i n é a i r e de 8 mm de longueur. Les v a r i a t i o n s de mise au point au cours de l ' e s s a i provoqu6es par l a régression de l a surface n l e n t r a i n e n t pas de v a r i a t i o n s s e n s i b l e s de l a r6solution. Cha- que e s s a i dure une t r e n t a i n e de secondes. Pa- rallèlement on détermine par cinématographie l a v i t e s s e d ' a b l a t i o n do l a surface. Le dépouil- lement de l'oscillogramme obtenu au cours d'un balayage donne une courbe analogue à c e l l e de l a f i e a r e 1 où l ' o n constate de f o r t e s varia- t i o n s de températures e n t r e des p o i n t s t r h s rapprochés.

Cette hét6rogénéité correspond b i e n à c e l l e que l ' o n constate s u r l e s films pour l a s t r u c t u r e de l a surface. L ' i n t e r p r é t a t i o n des mesures est p l u s d é l i c a t e . En e f f e t l e pyromètre

rie

peut indiquer qu'une température apparente de l a zone visée. La connaissance du f a c t e u r

d'émission permet d'en déduire 1; v a l e u r de l a température r é e l l e [z]. Or l ' o r i g i n e du rayonnement capté e s t souvent indétermin6 p u i s q u ' i l peut provenir de l a s i l i c e pure pour l e s f i l s fondus, ou du s u b s t r a t carboné au fond des creux s i t u é s e n t r e l e s f i l s ou m8me de ce s u b s t r a t à t r a v e r s une couche p l u s ou moins dense de s i l i c e fondue. En première ap- proximation, il e s t p o s s i b l e d'admettre que t o u s l e s maxima des courbes correspondent à un matériau e t tous l e s minima à un a u t r e s a n s

pouvoir indiquer avec c e r t i t u d e l a nature de ces m a t é r i a u . Deux courbes sont a l o r s obtenues pour chaque dépouillement comme il e s t indique s u r l a f i g u r e 2.

Dans l e cas où l e générateur fonc-

tionne avec de l 1 a i r , l e s hétérogénéités q u i

sont l e p l u s souvent de l ' o r d r e de 0 , l mm peu-

vent en c e r t a i n s e n d r o i t s a t t e i n d r e l e m i l l i -

mètre. Les températures apparentes v a r i e n t de

2100 à 2500°K avec des é c a r t s moyens de 150 à

200°C. Ceux-ci tendent B diminuer au cours du

temps. La f i g u r e 3 montre que l a température

apparente moyenne s u b i t d'abord un accroisse-

ment important jusque v e r s 2500°K durant l e s

deux premières secondes p u i s diminue lentement

jusqutà 2100°K environ, Lorsque l ' a i r e s t rem-

place par de l ' a z o t e , l e s phénomènes sont quel-

que peu d i f f é r e n t s , comme il a p p a r a î t s u r l e s

f i l m s cinématog~aphiques r é a l i s é s durant l ' e s -

sai. S i l e s températures a t t e i n t e s au bout des

deux premières seoondes sont du mgme ordre de

grandeur, e l l e s semblent e n s u i t e r e s t e r statiw

naire. Il en e s t de mgme des Bcarts e n t r e ma-

xima e t minima. Ceci. peut s ' e x p l i q u e r par l e

f a i t que l a s i l i c e ne fond pas e t e s t entrafnée

par l e courant gazeux a p r è s érosion. Dans l e

cas où l ' o n u t i l i s e de l ' a i r , l'oxygène permet

des r é a c t i o n s de combustion q u i f o u r n i s s e n t

1 ' a p p o r t de chaleur supplémentaire nécessaire

à l a f u s i o n de l a s i l i c e . Celle-ci coule a l o r s

l e long de l a surface e t forme une couche pro-

t e c t r i c e dont .l'épaisseur augmente durant l ' e s -

sai.

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TEMPERATURE SUPERFICIELLE DE MATERIAUX DE PROTECTION DE COMBUSTION

COiuCLUSIONS.

Ainsi par c e s mesures de température on a pu mettre en évidence l ' h é t é r o g é n é i t é thermique que présente l a surface du matériau ablatée. Les températures a t t e i n t e s permettent une f u s i o n de l a s i l i c e qui crée une c a l o t t e p r o t e c t r i c e dont l ' é p a i s s e u r augmente avec l e temps. Des mesures u l t é r i e u r e s f a i t e s avec un appareillage perfectionné devraient f o u r n i r des v a l e u r s plus pr6cises de l a température e t permettre de s a v o i r en p a r t i c u l i e r s i l e s u b s t r a t carboné peut a p p a r a î t r e au t r a v e r s des m a i l l e s des f i l s de s i l i c e durant l ' a b l a - tion.

ESSAI N e 14

BIBLIOGRAPHIE

[ 11 H. LACAüE -

La p r o t e c t i o n thermique par ablation.

DOC-AIR-ESPACE no 105 - J u i l l e t 1967 p.23.

posés par l a détermination des températu- r e s de surface.

P u b l i c a t i o n O.N.E. R.A. no 108 ( 1962).

[ 2 ] J. CRABOL -

Solutions apportées à quelques problèmes