The effects of radiation on ablative heat shields during atmospheric entry THÈSE NO 7681 (2017) PRÉSENTÉE LE 2 JUIN 2017 À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR GROUPE INTERDISCIPLINAIRE D’AERODYNAMIQUE ET LABORATOIRE DE LA SCIENCE ET DE L'INGÉNIERIE DE L'ÉNERGIE RENOUVELABLE PROGRAMME DOCTORAL EN ENERGIE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Nikhil BANERJI acceptée sur proposition du jury: Dr P. Ott, président du jury Prof. S. Haussener, Dr P. Leyland, directrices de thèse Prof. R. Morgan, rapporteur Dr J. Barcena, rapporteur Prof. A. Pautz, rapporteur Suisse 2017 ABSTRACT Spacecraft employ composite materials as Thermal Protection Systems (TPS) to survive entering a planetary atmosphere at hypersonic speeds. Under intense convective and radiative heating from the surrounding shock layer, these composites decompose and erode, transferring heat away from the payload. A risk-averse approach has long saturated the space industry, with the selection of unoptimised, dense, flight-qualified materials taking priority over novel TPS, tailored to the mission at hand. However, demanding flight trajectories and greater payload carrying capacity required on future missions call for contemporary research into lightweight composites. A better understanding of the high temperature response of these materials is needed to improve TPS sizing and optimisation. This thesis uses a combination of experimental testingandnumericalsimulationstounderstandtheeffectsofthermalradiation on these composites, both inside the material and upon interacting with the surrounding aerothermal environment. TPS material testing in arc-jets can be complemented by the use of impulse facilities to characterise flight-equivalent radiative heating in multiple atmo- spheres. Being a recent development, ablation testing in expansion tubes has so far used non-flight geometries and/or conditions. A methodology was therefore established to design and manufacture scaled composite aeroshells in the laboratory. The models were subjected to Earth and Venus hypersonic conditions and decomposed upon contact with the flow, allowing carbonaceous species to mix with the surrounding hot plasma. Radiation from the boundary layer was then measured using emission spectroscopy and compared to data collected from experiments using a cold steel model. Computational fluid dynamics, finite-rate surface kinetics and radiation databases were then validated based on these spectral measurements. Results most suited for comparison with experimental data were mainly obtained using a combination of Park’s reaction schemes, Suzuki’s reduced nitridation surface kinetic rate and the NEQAIR radiation code for both flow conditions. Visible radiation was heavily underestimated by numerical models, while generated UV and IR spectra compared well with measurements. Two unique datasets for iii Earth and Venus entry were thus created through experiment and numerical analysis. The recent investigation into the volumetric nature of ablation makes under- standing internal radiation of TPS materials a priority. This term is rarely included in contemporary thermal response codes. To accurately characterise effective morphological and radiative properties, pore-level simulations were carried outon realTPS material geometries,recorded usinghigh-resolution syn- chrotron tomography. A library of spectrally resolved extinction and scattering coefficients and scattering phase functions was used to calculate macroscopic optical properties of a semi-infinite slab of each material. A greater increase in absorptance during resin decomposition was seen for the medium density carbon phenolic than for the dense graphite reinforced polymer composite. Combined with these properties, volumetric view factors were used to evaluate the radiative flux inside the TPS material, which was then supplied to the PATO thermal response code. Internal radiation was shown to have a demonstrable effect through the comparison of simulation and flight data, promoting its inclusion in future modelling. Keywords : ablation, atmospheric entry, emission spectroscopy, impulse facili- ties, numerical simulations, radiation, thermal protection systems, X-ray com- puted tomography. iv RESUMÉ Lors d’une entrée atmosphérique mettant en jeu des vitesses hypersoniques, les sondes spatiales sont équipées de boucliers en composite de carbone, afin de protéger les charges utiles qu’elles transportent. Ces boucliers sont soumis à des flux de chaleur radiatif et convectif très élevés dus à la couche de choc rayonnante qui les entoure. La chaleur est évacuée grâce à la décomposition et l’érosion de ces matériaux composites. L’évolution de ces matériaux s’est effectuéenréduisantlesrisquesplutôtqu’enoptimisantlamasse.Unemeilleure compréhension de ces matériaux et des phénomènes physico-chimiques est indispensable pour le développement de nouvelles protections thermiques plus légères et moins coûteuses. Cette thèse étudie de manière approfondie les effets du rayonnement sur ces matériaux ainsi que leurs interactions avec leur environnement aérothermique. Laréponseàhautetempératuredecesmatériauxesthabituellementcaractérisée par des essais à jet de plasma. Des informations complémentaires peuvent être déterminées par des essais dans des tubes à expansion. Ces expériences produisent des flux de chaleurs radiatifs similaires à ceux rencontrés en vol dans des atmosphères différentes. Jusqu’à ce jour, aucun essai n’a été effectué avec ce type de matériau dans des conditions de vol équivalents et avec une forme similaire à des sondes existantes. Par conséquent, une méthodologie a été établie pour la conception et la fabrication de modèles réduits ayant la forme d’une sonde. Ces modèles ont été testés dans des conditions de rentrée dans les atmosphères terrestre et vénusienne permettant la décomposition de leurs surfaces et le mélange des espèces carbonées avec le plasma dans la couche limite. Des mesures spectroscopiques ont été effectuées pour caractériser le rayonnement émit par la couche limite. Les modèles numériques de mécanique des fluides, des réactions surfaciques et de rayonnement ont été validés par ces mesures spectroscopiques. Le ray- onnement dans le domaine visible est sous-estimé par le modèle alors que les comparaisons dans l’UV et l’IR sont excellentes. Des données uniques sur l’interaction entre le bouclier thermique et l’atmosphère terrestre et vénusienne ont été obtenues par mesures expérimentales et simulations numériques. v Des études récentes sur la nature volumétrique de l’ablation ont montré l’importance du rayonnement interne dans les nouveaux matériaux compos- ites utilisés pour les sondes actuelles et futures. Ce rayonnement interne est rarement inclus dans les modèles contemporains de réponse thermique. La géométrie exacte de deux échantillons, un à haute densité et le deuxième à basse densité, a été obtenue par tomographie à haute résolution aux rayons X synchrotron. Ces géométries ont été utilisées dans un modèle numérique à échelle microscopique pour caractériser précisément leurs propriétés optiques et morphologiques effectives. Ces propriétés effectives ont ensuite été utilisées pour déterminer l’absorptance de ces deux échantillons. L’augmentation de l’absorptance due à la pyrolyse est plus significative pour un matériau à basse densité, contenant plus de résine. Les facteurs de forme volumétriques ainsi que ces propriétés ont permis d’évaluer les flux radiatifs dans ces matériaux. L’inclusion de ces flux au modèle de réponse thermique indique un effet significatif, important pour la modélisation future. Mots clés : ablation, bouclier thermique, simulations numériques, rayonnement, rentrée atmosphérique, spéctroscopie, tomographie aux rayons-X, tube à expan- sion. vi ACKNOWLEDGMENTS I have been lucky enough to be surrounded, both at work and at home, by a group of people who are intelligent and kind, and constantly push me to be the best I can. I am grateful to my supervisors for giving me the clay with which to mould my own research expertise. Pénélope, thank you for introducing me to the world of hypersonics - it’s brilliant! I really appreciate the opportunity I’ve had to work on a variety of different projects, while being able to travel the globe and meet and work with new people, not to mention lab ski days and barbecues. Sophia, thanks for letting us aerospace types take over your lab! Thanks for all the support, technical and moral, as well as the interesting discussions. Richard, though not officially a supervisor, you allowed me the most rewarding experience by taking me in, sharing your exceptional technical knowledge and stories, and letting me run riot in the X-labs. And for actually having read my thesis! Thanks, Boss. PJ and Rowan, for doing the heavy lifting having devel- oped and documented the incredible eilmer code, and for the support when I manage tokill it! David Buttsworth, forall the fascinatingdiscussions and ideas. ThankstotheX2operatorsandUQworkshopstaffwhogoteverythingworking in time. And to X2, she might be stubborn and need some coaxing at times, but what a machine! Over the years at EPFL, I’ve shared some great times with some really great € people: Val, Yann, Ermina, Rikkert, Gwen, Genna, Chris, Dutch (Floris), Toni ( 3 hospital!), Oner, Loïc, Angelo and Gaffu. Pisa, for the great laughs we had and your love of dirty, dirty vodka martinis! David, thanks for helping with ’military’ applications - it’s a shame our time together was so limited! Yannick, thanks for thehelpwiththeFrenchabstract!Jérémy,it’sbeenfunsharingaburofor4years. Thanks for all the help and interesting work, but most importantly thanks for beingagreatfriend,withoutwhom,thiswouldallhavebeenalotmoretedious. Bon courage, Jermemy. vii Thanks to my Aussie family, Peter, Pam, Sarah, Tom and the thousand other Fahys for their generosity, encouragement and Port (the fortified wine, not... y’know). My family, for raising me and supporting me and loving me. Dadu and Thamma, I wish you could have been here today. Ma, Ba, I am who I am because of you (nature and nurture!). You’ve always made sure to give me the best possible opportunity to follow my dreams and I’ve known for a long time this was it. Thank you from the bottom of my heart. Nanu, Nani, you always encouraged me to write. Although I will never be as prolific as you, here’s my small contribution to global knowledge. This thesis is for the both of you. Elise, meri jaan, this would have been impossible without you. I could spend another 200 pages listing the reasons why. You teach and inspire me every day and I feel so very lucky. Thank you for your amazing love, care and support. Let’s go exploring! This work is supported by the Swiss National Science Foundation (SNSF) un- − der contract no. 200021 146710, the SNSF Mobility Scheme and the European Space Agency TRP-ARC under contract no. 4000106422/12/NL/AF. The author would like to acknowledge EPFL’s support through the use of the facilities of its Scientific IT and Application Support Center. The Paul Scherrer Institut for provision of synchrotron radiation beam time at the TOMCAT beamline of the SLS in 2014 and 2016, and Julie Fife and Federica Marone for their assistance. Phil Teakle for providing the materials and expertise required to manufacture the aeroshell models. Aaron Brandis and Todd White from NASA for NEQAIR and the MSL flight data. Jean Lachaud and NASA for PATO. David Perraudin forleavingaverysolidfoundationfortheMonteCarlocodetocalculateinternal radiative effects and Jérémy Mora-Monteros for developing this further. viii CONTENTS 1 introduction 1 11 1 . The Need for Thermal Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3 . . Ablation and Pyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4 . . The Fall and Rise of Novel Heat Shield Design . . . . . . . . 12 5 . Planned Experimental Testing and Numerical Simulations . . . . . 13 6 . Aim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 7 . Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 7 . Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 8 . Thesis Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i aerothermal heating 11 2 ablation in radiative shock layers a review 13 : 21 13 . Ablation Testing in Aerothermal Environments . . . . . . . . . . . . 211 15 . . Testing in Long Duration Facilities . . . . . . . . . . . . . . . 212 17 . . Testing in Impulse Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 22 . Numerical Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 23 . . Physical Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 25 . . Simulation of Experiments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 29 . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 expansion tube test campaign 31 31 31 . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 31 . Experimental Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 31 . . Model Development and Bench Testing . . . . . . . . . . . . 322 34 . . Condition Selection and Testing . . . . . . . . . . . . . . . . 323 39 . . Optical Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 44 . Results and Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 44 . . Venus Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 49 . . Earth Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 54 . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 numerical rebuilding and comparison 55 41 55 . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 55 . Flowfield Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 56 . . Meshing and Grid Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 59 . . Thermochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix x contents 423 66 . . Transport Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 72 . . Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 73 . . Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 75 . Flowfield Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 75 . . Venus Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 80 . . Earth Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 84 . Radiation Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 87 . Comparing CFD and Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 87 . . Venus Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452 90 . . Earth Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 97 . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii internal heat transfer 101 5 heat transfer in tps materials a review 103 : 51 104 . Modelling Ablation and Thermal Response . . . . . . . . . . . . . . 511 104 . . A Historical Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512 104 . . Decomposition Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 105 . . State of the Art Models. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 106 . Incorporating Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521 106 . . Radiative Characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522 108 . . Coupling Radiation and Conduction . . . . . . . . . . . . . . 523 109 . . Including Radiation in TPS Thermal Response . . . . . . . . 53 110 . Heat Shield Flight Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531 111 . . Past Instrumented Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532 112 . . Mars Science Laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 114 . . Future Instrumented Missions . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 114 . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 radiative characterisation 117 61 117 . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 117 . Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621 118 . . Governing Equations and Implementation . . . . . . . . . . 622 119 . . Composite Sample Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . 63 119 . Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 119 . . Morphological Characterisation. . . . . . . . . . . . . . . . . 632 121 . . Effective Radiative Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 127 . . Macroscopic Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 134 . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 radiative contribution to msl tps heating 137