A study of hypersonic ablation

Paper ID

IAF-59-67

author

• Sinclaire Scala

company

High Altitude Aerodynamics, Space Sciences Laboratory, Missile and Space Vehicle Department, General Electric Company

country

U.S.A.

year

1959

abstract

A Study of Hypersonic Ablation. The successful design of a hypersonic vehicle for manned re-entry requires “a priori” knowledge of the behavior of high temperature materials subjected to a severe aerothermochemical environment. The three general classes of materials currently being contemplated for high temperature application to re-entry vehicles include metals, ceramics and plastics. Metals and the crystalline forms of certain ceramics are typical crystalline solids. Graphitic materials and the general category of ceramic oxides, carbides and nitrides are typical amorphous solids. The plastics are essentially thermosetting resins, which are sometimes reinforced with organic or refractory fibers in varying proportions and orientations. The response of a given material in each of the broad classes listed above will depend critically on the rate of application, magnitude, duration and nature of the heating load. That is, the response of a material to a thermal load during hypersonic re-entry is not so much dependent on the total integrated heat transfer during the time of flight as it is on the precise combination of the instantaneous enthalpy and pressure of the chemically reacting gas which envelopes the vehicle as it re-enters. If the coefficient of thermal conductivity of an oxidation resistant material is sufficiently high relative to the rate of heat transfer, then equilibration of the heat transfer with the heat sink capacity of the material occurs, and the temperature of the material rises with time. If the surface temperature remains below the softening point or below the vaporization temperature during the entire heating cycle, this type of material retains its structural integrity and ablation does not occur. Most metals can, in fact, behave in this fashion. At higher heating rates, the temperature near the surface of the material rapidly rises to the point where thermal degradation of one form or another begins. For a certain class of refractory materials, the ablation process will usually consist of melting followed by vaporization from the interface between the gas and liquid phase boundary layers. The fraction of solid that enters the gas phase during the ablation process comprises the most effective utilization of the heat absorbing and heat blocking action of the entire mass transfer process. When the fractional part of the solid which gasifies, called V the gasification ratio, approaches unity, the process is called sublimation. When the gasification ratio is zero, the phenomenon is one of pure melting. The value of the gasification ratio is not a fixed constant for a given material but is a function of the material and its environment. That is, F dejjends critically on the enthalpy, pressure and chemistry of the environment in which the material performs. Quartz-like crystalline and amorphous refractories are typical of this class of materials. Other refractory materials, such as graphite, do not melt but undergo heterogeneous chemical reactions. The rate of mass loss from the surface of this type of material will depend on an oxidation process, which is rate-controlled at low surface temperatures, but rapidly becomes diffusion-controlled as the surface temperature rises. In this type of ablation process, the chemical heat release during the oxidation process and the blocking action of the mass transfer process due to the thickening of the boundary layer will depend critically on the heterogeneous reaction rates. When it is assumed that the rates of reaction are infinitely fast, then the equilibrium constants of the various combustion reactions will yield sufficient constraints to make the solution to the problem determinate. In considering the various classes of plastic materials, thermal degradation of a reinforced plastic involves pyrolysis of the solid phase, which results in the formation of gaseous products such as methane, ethylene, acetylene and hydrogen, leaving a solid residue behind in the form of a non-uniform cross-linked char sponge. The problem is also complicated by combustion reactions which occur between the gaseous hydrocarbons and the atomic and molecular oxygen present in dissociated air. Another class of thermoplastic resins decomposes by means of a process called depolymerization. In this case, a complex hydrocarbon polymer undergoes chemical reactions leading to the formation of monomer. This monomer can subsequently undergo combustion reactions with the oxygen in the gas which flows around the vehicle, resulting in an increase in heat transfer to the ablating plastic. Typical of this type of material is Teflon. In this study, the analysis was confined to the region of most intense heating, namely the forward stagnation point. The multicomponent hypersonic laminar boundary layer equations were derived and solutions were obtained by considering chemical as well as gas dynamic factors. The diffusion and counterdiffusion of the various chemical components including oxygen and the products of vaporization or combustion were evaluated and microscopic chemical compatibility conditions were satisfied at the surface. The blocking action due to boundary layer thickening was included, as well as the heat release due to the chemical reactions, for each of the categories of ablating materials discussed above, e. g. a) îhe ablation of a quartz-like refractory vaporizing oxide, b) the ablation of à graphite-like refractory material, c) the ablation of a reinforced plastic, and d) the ablation of a thermoplastic resin. The dependence of the “effective heat of ablation”, (which is the amount of heat blocked or absorbed per pound of material ablated) upon enthalpy, pressure and chemistry was determined for the entire hypersonic flight regime. For purposes of further understanding the behavior of these materials, a systems comparison was also performed in which each of the materials was employed as a thermal shield for a re-entry vehicle for a variety of re-entry satellite trajectories. Untersuchung' der Hyperschall-Ablation. Der erfolgreiche Entwurf eines Hyper- schall-Fahrzeuges „für bemannten Wiedereintritt“ benôtigt a priori Wissen fiber das Verhalten von Hochtemperatur-Materialien, die einer strengen aerothermochemischen Umgebung ausgesetzt sind. Drei allgemeine Klassen von Materialien, für .die gegenwârtig ffir hohe Temperatur eine Anwendung in Wiedereintrittsfahrzeugen erwogen wird, schlieBen Metalle, Ton- waren und plastische Materialien ein. Metalle und die kristalline Form bestimmter Tonwaren sind typische kristalline feste Korper. Graphitmaterialien und die allgemeine Kategorie der Tonwarenoxyde, Carbide und Nitride sind, typische amorphe feste Korper. Plastische Materialien sindKunstharze, die manchmal mit organischen oder refraktaren Fasern in verschiedenen Proportionen und Richtimgen verstârkt sind. Die Eignung eines gegebenen Materials in jeder der oben angeffihrten mnfangreichen Klassen hângt von dem MaBstab der Anwendung, GrôBe, Dauer. und Natur der Warmeaufnahme ab. Das heiBt, die Eignung eines Materials ffir eine thermische Beladung wâhrend des Hyperschall-Wiedereintritts hângt nicht so sehr von der totalen integrierten Wàrmeübertragung wahrend der Flugzeit ab, wie von der genauen Kombination der augenblicklichen Bnthalpie und dem Druck eines ohemisch reagie- renden Gases, das das Fahrzeug beim Wiedereintreten einhullt. Wenn der Koeffizient der thermisehen Leitfâhigkeit eines gegen Oxydation wider- standsfàhigen Materials relativ zur Rate der Wàrmeübertragung grofi genug ist, dann tritt Gleichgewicht zwisohen der Wàrmeübertragung und dem Wârmesenkvermôgen des Materials ein, und die Temperatur des Materials erhôht sieh mit der Zeit. Wenn die Oberflâchentemperatur unter dem Erweichungspunkt oder unter der Verdamp- fungstemperatur wâhrend des ganzen Erhitzungszyklus bleibt, dann wird diese Art von Material ihre struktm’elle Integritât behalten und Ablation (Sehwund) wird nicht eintreten. Die meisten Metalle werden sich in der Tat auf diese Weise verhalten. Bei hôherer Erhitzung steigt die Temperatur in der Nàhe der Oberflâohe des Materials schnell bis zu dem Punkt an, wo thermische Degradation der einen oder anderen Form eintritt. Für eine bestimmte Klasse refraktàrer Materialien wird der SchwundprozeB gewôhnlich aus Schmelzen und nachfolgendem Verdampfen der Grenzschiehten zwisohen der gasfôrmigen und flüssigen Phase bestehen. Der Teil des festen Kôrpers, der wâhrend des Schwundprozesses in die Gasphase eintritt, stellt die bestë Nutzbar- machung der hitzeabsorbierenden und hitzebloekierenden Wirkung wâhrend des ganzen Massetransferprozesses dar. Wenn der Bruchteil des festen Kôrpers, der ver- gast wird, F-Vergasungsverhaltnis genannt, eins wird, wird der ProzeB als Sublimation bezeichnet. Wenn der Vergasungsquotient Null ist, tritt die Erscheinung des reinen Schmelzens auf. Der Wert des Vergasungsquotienten ist für ein gegebenes Material keine Konstante, sondern eine Funktion des Materials und seiner Umgebung. Das heiBt, F hângt von Enthalpie, Druck und Chemie der Umgebung ab, in der sich das Material befindet. Quarzâhnliche, kristalline und amorphe refraktâre Substanzen sind typisch für diese Klasse von Materialien. Andere refraktâre Materialien wie Graphit schmelzen nicht, sondern erleiden heterogene chemische Reaktionen. Der MaBstab des Masseverlustes der Oberflâche dieser Art von Material wird von einem OxydationsprozeB abhângen, der bei niedrigen Oberflâchentemperaturen geschwindigkeitskontrolliert ist und schnell diffusions- kontrolliert wird, wenn die Oberflâchentemperatur steigt. In dieser Art von Ablations- prozeB wird die Freisetzung chemischer Wârme wâhrend des Oxydationsprozesses und der blockierenden Aktion des Massetransferprozesses, der durch eine Verdickung der Grenzschicht hervorgerufen wird, kritisch von den Geschwindigkeiten der heterogenen Reaktionen abhângen. Wenn angenommen wird, daB die Geschwindigkeiten der Reaktionen unendlich schnell sind, werden die Gleichgewichtskonstanten der verschiedenen Verbrennungsreaktionen genügend Zwang erzielen, um die Lôsung für das Problem bestimmbar zu machen. Zieht man verschiedene Klassen plastischer Materialien in Erwâgung, findet man, daB thermische Degradation eines verstârkten plastischen Materials Pyrolyse der festen Phase mit sich bringt, die in der Bildung von Gasprodukten wie Methan, Âthylen, Acetylen und Wasserstoff besteht und einen festen Rückstand in Form eines uneinheitlichen, verkohlten Schwammes hinterlâBt. Das Problem wird ebenso durch Verbrennungsreaktionen kompliziert, die zwisohen den gasfôrmigen Kohlen- wasserstoffen und dem atomaren und molekularen Sauerstoff, der sich in dissoziierter Luft befindet, auftreten. Eine andere Klasse plastischer Materialien zersetzt sich durch Polymerisation. Hier erleidet ein komplexes Kohlenwasserstoff-Polymeres chemische Reaktionen, die zur Bildung eines Monomeren führen. Dieses Monomère wird dann Verbrennungsreaktionen mit dem Sauerstoff durchmachen, der sich in dem das Fahrzeug umhüllenden Gas befindet. Dies âuBert sich in einer Zunahme der Wârme- übertragung auf das sich zersetzende plastische Material. Typisch für diese Art von Material ist Teflon. In der vorliegenden Untersuchung beschrânkt sich die Analyse auf das Gebiet der intensivsten Erhitzung. Die aus vielen Bestandteilen bestehenden laminierten Hyperschall-Grenzsehicht-Gleichungen wurden abgeleitet und Lôsungen wurden durch Betrachtung chemischer und gasdynamischer Faktoren erhàlten. Die Diffusion und Gegendiffusion der verschiedenen chemischen Komponenten, einschliefilich des Sauerstoffs und der Yerdunstungs- und Verbrennungsprodukte, wurden ausgewertet und die mikroskopisch-chemisehen Vertraglichkeitsbedingungen waren an der Ober- flache ausreichend. Die blockierende Aktion, die auf Grenzschichtverdickung beruht, und die Hitzefreisetzung durch chemische Reaktionen wurden für jede Kategorie der oben diskutierten zersetzenden Materialien einbezogen: a) Die Ablation eines quarzahnlichen, refraktaren, verdampfenden Oxydes; b) die Ablation eines graphitahnlichen, refraktaren Materials; c) die Ablation eines verstârkten plastischen Materials; d) die Ablation eines thermoplastic, kunstharzartigen plastischen Materials. Die Abhângigkeit der „wirksamen Ablationshitze“ (die der Betrag der blockierten oder absorbierten Wârme pro Pfund zersetzten Materials ist) von Enthalpie, Druck und Chemie wurde für das ganze Hyperschallflug-System bestimmt. Zwecks weiteren Yerstehens des Verhaltens dieser Materialien wurde ein System- vergleich angeführt, in dem jedes Material als thermischer Schütz für Wiedereintritts- fahrzeuge für eine Reihe von Wiedereintritts-Satellitenbahnen verwendet wurde. Etude de l’ablation en régime hypersonique. La conception heureuse d’un véhicule hypersonique destiné à la ré-entrée avec équipage demande une connaissance préalable du comportement des matériaux soumis à des conditions aérothermochimiques sévères. Les métaux, les céramiques et les plastiques sont les trois classes de matériaux envisagés actuellement. Les métaux et les formes cristallines de certaines céramiques sont des solides cristallins typiques. Les graphites et la catégorie générale des oxydes, nitrures et carbures céramiques sont des solides typiquement amorphes. Les plastiques sont essentiellement des résines thermodurcissables, quelquefois renforcées en diverses proportions et orientations par des fibres organiques ou réfractaires. Dans chacune de ces classes le comportement du matériau dépend essentiellement de l’intensité, de la variation, de la durée et de la nature de la charge thermique. Autrement dit, le comportement ne dépend pas tellement de la chaleur totale reçue que de la combinaison exacte de l’enthalpie instantanée et de la pression du gaz chimiquement actif qui entoure le véhicule durant la phase de ré-entrée. Si le coefficient de conductivité thermique d’un matériau résistant à l’oxydation est assez élevé relativement au taux de transfert de chaleur un équilibre s’établit entre le transfert et la capacité d’absorption et la température du matériau augmente avec le temps. Si la température en surface reste inférieure au point de ramollissement ou à la température de vaporisation dînant tout le cycle d’échauffement, l’intégrité structurelle est maintenue et il n’y a pas d’ablation. La plus part des métaux se comportent en fait de cette manière. Pour des taux d’échauffement plus grands la température de surface monte rapidement au point où l’une ou l’autre forme de dégradation thermique commence à se manifester. Pour certaines classes de matériaux réfractaires le processus d’ablation consiste usuellement en une fusion suivie de vaporisation à l’interface gazeuse-liquide de la couche limite. La fraction solide qui passe en phase gazeuse est la plus utile pour s’opposer à l’absorption. Quand la fraction solide P, qui passe à l’état gazeux est nulle, le processus est de pure fusion. F n’est pas une caractéristique fixe d’un matériau mais dépend aussi de l’ambiance, et surtout de l’enthalpie, pression et caractère chimique du milieu ambiant. Les réfractaires amorphes et cristallins du genre du quartz sont typiques dans cette classe de matériaux. D’autres matériaux réfractaires, tels que le graphite, ne subissent pas de fusion mais des réactions chimiques hétérogènes. Le taux de perte de masse de ces matériaux dépend d’un processus d’oxydation limité par cinétique chimique aux faibles températures, puis par diffusion quand la température de surface augmente. Dans ce type d’ablation, la chaleur d’oxydation et le blocage thermique par transfert de masse, dû à l’épaississement de la couche limite, dépendent de façon critique des taux de réaction hétérogènes. Si ces taux de réaction sont supposés infinis, les constantes d’équilibre des réactions fournissent assez de liaisons pour rendre le problème déterminé. Pour ce qui est des matériaux plastiques, la dégradation thermique d’un plastique renforcé comporte une pyrolyse de la phase solide avec formation de produits gazeux tels que le méthane, l’éthylène, l’acétylène et l’hydrogène, laissant un résidu solide sous forme d’une matrice spongieuse. Le problème est compliqué par les réactions de combustion des hydrocarbones gazeux dans l’oxygène atomique et moléculaire présents dans l’atmosphère dissociée. Une autre classe de plastiques thermodurcissables se décompose par dépolymérisation. Le monomère résultant de la décomposition réagit avec l’oxygène pour accroître le taux de transfert de chaleur vers le plastique en ablation. Un matériau typique de ce genre est le Teflon. Dans cette étude l’analyse a été confinée à la région d’échauffement la plus intense, le point de stagnation^ Les équations de la couche limite hypersonique à composantes multiples ont été établies et leur solution prend en considération les phénomènes chi- miques aussi bien que dynamiques. La diffusion et contre-diffusion des divers composants chimiques, comprenant l’oxygène et les produits de vaporisation et de combustion ont été évaluées et les conditions de compatibilité chimique satisfaites à la surface. Le blocage par épaississement de la couche limite et la chaleur dégagée par les réactions chimiques ont été inclus pour chacune des catégories mentionnées précédemment : a) ablation d’un oxyde réfractaire du genre quartz, b) ablation d’un matériau réfractaire du genre graphite, c) ablation d’un plastique renforcé, d) ablation d’une résine thermodurcissante. La dépendance de la “chaleur effective d’ablation” ou quantité de chaleur bloquée ou absorbée par unité de poids du matériau vis à vis de l’enthalpie, pression et nature chimique du milieu ambiant a été déterminée pour l’entièreté du régime hypersonique. En vue de mieux saisir le comportement de ces matériaux une comparaison a été faite pour diverses trajectoires de ré-entrée, chaque matériau étant supposé utilisé comme protection thermique.