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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Atmospheric entry is one of the most critical phases of space exploration missions. Spacecraft are equipped with Thermal Protection Systems (TPS) to ensure the structure’s integrity from the encountered intense heat fluxes. In recent years, lightweight materials
such as carbon/phenolic ablators have become the preferred option as TPS for atmospheric entry. These materials are made of a carbon fibre preform impregnated with a
phenolic resin and combine high porosity, lightweight, low density and low effective thermal conductivity.
Accurate modeling of the thermal response of TPS requires adequate characterization of
thermophysical properties. Effective thermal conductivity of carbon/phenolic ablators
is one of the most significant factors of heat transfer towards the interior of TPS. With
increased computational capabilities, numerical simulations of materials at microscale
resolution have become more affordable, minimizing the need for expensive experimental campaigns. This can be achieved with the Porous Microstructure Analysis software
(PuMA) and its Python version pumapy, developed at NASA Ames Research Center. The
main objective of this work is to analyse the effect of the microstructure and the different
intrinsic properties on the effective thermal conductivity.
The first step consisted in developing a numerical model for CALCARB CBCF 18-2000,
the carbon preform of the material in the study, ZURAM, by artificially generating a transverse isotropic material with a normal distribution in the Through-Thickness (TT) and a
uniform distribution in the In-Plane (IP) that was later verified and validated to assess the
influence of microstructure. In addition, the charred and virgin ZURAM material was analyzed by generating a coaxial cylinder resembling a uniform coating on the fibre. To stuy
the virgin carbon/phenolic, it must be considered that the material comprises fibres, gas
and phenolic resin. A new synthetic material generator has been implemented in PuMA,
which combines the previous code developed for CALCARB with a generation of uniformly
distributed voxels in the domain that mimics the gas trapped inside the material. In the
latter, the medium represents the phenolic resin. Both codes were later compared with
available experimental data. Although there is a fair agreement between the behaviour of
the simulated and measured conductivities, the disparity can reside in the fact that some
of the properties are not known such as the fibres’ intrinsic conductivity at the experiments’ temperature.
Even though further developments are required, this work provides important information about the effect of different components and geometrical features of the microscopic
properties of porous ablative materials on their macroscopic model evaluation.
A entrada atmosférica é uma das fases mais críticas das missões de exploração espacial. Os veículos espaciais são equipados com Sistemas de Proteção Térmica (TPS) para garantir a integridade da estrutura perante os intensos fluxos de calor a que é sujeito. Nos últimos anos, materiais leves, como materias ablativos de carbono/fenólicos, tornaramse a opção preferida como TPS para a entrada atmosférica. Estes materiais são feitos de uma pré-forma de fibra de carbono impregnada com uma resina fenólica e combinam alta porosidade, leveza, baixa densidade e baixa condutividade térmica efetiva. A modelagem precisa da resposta térmica do TPS requer uma caracterização adequada das propriedades termofísicas. A condutividade térmica efetiva dos materias ablativos de carbono/fenol é um dos fatores mais significativos da transferência de calor para o interior do TPS. Com o aumento das capacidades computacionais, as simulações numéricas de materiais em resolução microescala tornaram-se mais acessíveis, minimizando a necessidade de dispendiosas campanhas experimentais. Isso pode ser alcançado com o software Porous Microstructure Analysis (PuMA) e sua versão em Python, pumapy, desenvolvido no NASA Ames Research Center. O principal objetivo deste trabalho é analisar o efeito da microestrutura e das diferentes propriedades intrínsecas na condutividade térmica efetiva. A primeira etapa consistiu em desenvolver um modelo numérico para o CALCARB CBCF 18-2000, que consiste na pré-forma de carbono do material em estudo, ZURAM, através da geração artificial de um material isotrópico transversal com distribuição normal no plano vertical e uniforme no plano horizontal do material, sendo posteriormente verificado e validado por forma avaliar a influência da microestrutura. Adicionalmente, por forma a analisar o material ZURAM num estado carbonizado gerou-se um cilindro coaxial que se assemelha a um revestimento uniforme no topo das fibras. Para estudar o material no estado virgem, deve-se considerar que o material é composto por fibras, gás e resina fenólica. Para tal, foi implementado um novo gerador de material, que combina o código anterior desenvolvido para o CALCARB com vóxeis uniformemente distribuídos no domínio, que se assemelha ao gás aprisionado no interior do material. Neste último, o meio representa a resina fenólica. Todos os códigos foram posteriormente comparados com dados experimentais disponíveis. Embora haja um comportamento semelhante dos resultados numéricos com os experimentais, a divergência observada pode residir no fato de algumas das propriedades não serem conhecidas, bem como a condutividade intrínseca das fibras à temperatura dos experimentos. Apesar de mais desenvolvimentos serem necessários ao nível dos códigos implementados, este trabalho fornece informações importantes sobre o efeito dos diferentes componentes e características geométricas das propriedades microscópicas de materiais ablativos porosos na sua avaliação do modelo macroscópico.
A entrada atmosférica é uma das fases mais críticas das missões de exploração espacial. Os veículos espaciais são equipados com Sistemas de Proteção Térmica (TPS) para garantir a integridade da estrutura perante os intensos fluxos de calor a que é sujeito. Nos últimos anos, materiais leves, como materias ablativos de carbono/fenólicos, tornaramse a opção preferida como TPS para a entrada atmosférica. Estes materiais são feitos de uma pré-forma de fibra de carbono impregnada com uma resina fenólica e combinam alta porosidade, leveza, baixa densidade e baixa condutividade térmica efetiva. A modelagem precisa da resposta térmica do TPS requer uma caracterização adequada das propriedades termofísicas. A condutividade térmica efetiva dos materias ablativos de carbono/fenol é um dos fatores mais significativos da transferência de calor para o interior do TPS. Com o aumento das capacidades computacionais, as simulações numéricas de materiais em resolução microescala tornaram-se mais acessíveis, minimizando a necessidade de dispendiosas campanhas experimentais. Isso pode ser alcançado com o software Porous Microstructure Analysis (PuMA) e sua versão em Python, pumapy, desenvolvido no NASA Ames Research Center. O principal objetivo deste trabalho é analisar o efeito da microestrutura e das diferentes propriedades intrínsecas na condutividade térmica efetiva. A primeira etapa consistiu em desenvolver um modelo numérico para o CALCARB CBCF 18-2000, que consiste na pré-forma de carbono do material em estudo, ZURAM, através da geração artificial de um material isotrópico transversal com distribuição normal no plano vertical e uniforme no plano horizontal do material, sendo posteriormente verificado e validado por forma avaliar a influência da microestrutura. Adicionalmente, por forma a analisar o material ZURAM num estado carbonizado gerou-se um cilindro coaxial que se assemelha a um revestimento uniforme no topo das fibras. Para estudar o material no estado virgem, deve-se considerar que o material é composto por fibras, gás e resina fenólica. Para tal, foi implementado um novo gerador de material, que combina o código anterior desenvolvido para o CALCARB com vóxeis uniformemente distribuídos no domínio, que se assemelha ao gás aprisionado no interior do material. Neste último, o meio representa a resina fenólica. Todos os códigos foram posteriormente comparados com dados experimentais disponíveis. Embora haja um comportamento semelhante dos resultados numéricos com os experimentais, a divergência observada pode residir no fato de algumas das propriedades não serem conhecidas, bem como a condutividade intrínseca das fibras à temperatura dos experimentos. Apesar de mais desenvolvimentos serem necessários ao nível dos códigos implementados, este trabalho fornece informações importantes sobre o efeito dos diferentes componentes e características geométricas das propriedades microscópicas de materiais ablativos porosos na sua avaliação do modelo macroscópico.
Description
Keywords
Condutividade
Térmica Materias Ablativos de Carbono/Fenólicos Simulações Numéricas Microscópicas Sistemas de Proteção Térmica