UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI “FEDERICO II”

FACOLTÀ DI INGEGNERIAcorso 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 Guarigliamatr. 335/258

Anno Accademico 2011/2012

IRENE: Italian Re-Entry NacellE

-Studio di fase 0 finanziato dall’ASI- Realizzato dal consorzio di ricerca ALI

ProblemaRidurre l’ingombro dello scudo termico al lancio, quando non serve.

SoluzioneDispiegare lo scudo termico solo prima del rientro in atmosfera

ComeRealizzando uno scudo termico che si apre come un ombrello

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Profilo di missione

- Lancio con scudo termico chiuso- Operazioni in orbita- Apertura dell’ombrello- Rientro- Apertura del paracadute

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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

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Struttura dello scudo termico

Ceramic fabric

Flame Stopping Dot Paper

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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

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Parametri del testH0

[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

± 0.0019.8 6370

10.69

± 0.22274

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

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Posizionamento strumenti

Pirometri single color- M67S, 600 – 1000 °C- M67S, 400 – 800 °CPirometri 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 °CMikron M67 single color 600-1000 °C

Impac IGAR dual color 300-1000 °CMikron M67 single color 400-800 °C

Impac Infratherm ISQ5 dual color 800-2500 °CMikron M77 dual color 1000-3000 °C

Impac IGAR dual color 300-1000 °CMikron M67 single color 400-800 °C

Mikron M77 dual color 700-1400 °CMikron M67 single color 600-1000 °C

Impac Infratherm ISQ5 dual color 800-2500 °CMikron 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

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Istanti iniziali e finali del test

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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

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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.

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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

La radiazione incidente sul sensore viene tradotta in un parametro chiamato

Object Signal (OS)

R, B ed F sono costanti di calibrazione. Variano

a seconda del range della termocamera. ε è l’emissività del

materiale

Con lo specchio, bisogna ricostruire la relazione

che lega OS e T

Utilizzare dei corpi neri nel range 250 –

1500°C

Registrare l’OS rilevato corrispondente alla

temperatura del corpo nero

Calcolo delle nuove costanti, R, B ed F

Ricavare le temperature corrette

con la formula precedente

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Calibrazione della termocamera

)OSRε(F

BT

ln

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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

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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

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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

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.

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

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Punto 11Punto 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

- 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 3Linea 2

Linea 1

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- 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

- 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 = 0.8740 s dopo lo spegnimento

Linea 4

Linea 5

Linea 6

Linea 7

Linea 3Linea 2

Linea 1

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- 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.

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).

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.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE