Dissertação

{en_GB=Numerical Simulations of the QARMAN Thermal Protection System in High Enthalpy Flows} {} CONFIRMED

{pt=Durante a reentrada, os veículos espaciais voam a velocidades hipersónicas e passam por um ambiente muito severo, devido ao aquecimento aerodinâmico extremo e às reações químicas exotérmicas, que ocorrem por efeito de interações gás/superfície. Esses fenómenos são estudados na área da Aerotermodinâmica. É necessário um escudo térmico para proteger os veículos espaciais desses fluxos de calor. Neste trabalho são apresentados diferentes tipos de Sistemas de Proteção Térmico (SPT) utilizados na indústria espacial, nomeadamente os SPT ablativos e porosos, nos quais ocorrem reações importantes denominadas reações de pirólise que favorecem o arrefecimento do material. No presente trabalho foi estudada a resposta do material do SPT do satélite QARMAN, nomeadamente o P50 (um fenólico de cortiça produzido pela empresa AMORIM). É apresentado um modelo matemático para prever a recessão do material e a evolução das propriedades termodinâmicas (no tempo e no espaço) dentro do material. As condições de fronteira necessárias também são discutidas. Em seguida, é realizado um estudo numérico usando o software PATO (Porous-material Analysis Toolbox based on OpenFOAM) para simular o transiente do aquecimento do SPT do QARMAN. Os resultados obtidos foram validados com resultados experimentais obtidos no Plasmatron (um túnel de vento de plasma do VKI – von Karman Institute for Fluid Dynamics)., en=QARMAN (QubeSat for Aerothermodynamic Research and Measurements on AblatioN) is specifically designed to re-enter the Earth atmosphere and to retrieve data on ablator behaviour and aerothermal environment in the stagnation region of its TPS. During re-entry, spacecrafts fly at hypersonic speeds and experience a very harsh environment, as extreme aerodynamic heating occur. These phenomena are studied in the field of Aerothermodynamics. A heat-shield is needed to protect spacecrafts from these high heat fluxes. In this work, different kinds of Thermal Protection Systems (TPS) used in the industry are presented, namely the Porous Ablative TPS, where important reactions called Pyrolysis reactions occur. This work is focussed on the material response of the QARMAN TPS, which is made of Cork P50, a cork phenolic from AMORIM. A mathematical model is presented to predict recession and the evolution of thermodynamic properties (in time and in space) in-depth of the material. The boundary conditions needed for the numerical simulations are also discussed. Then, a numerical study is carried out using the PATO (Porous-material Analysis Toolbox based on OpenFOAM) software to simulate the heating transient in-depth of the QARMAN TPS. The results obtained were validated with experiments performed in the VKI Plasmatron, which is a Plasma Wind Tunnel. }
{pt=Sistema de Proteção Térmico, Reentrada, Aerotermodinâmica, Material Ablativo Poroso, PATO, en=TPS, Re-entry, Aerothermodynamics, Porous Ablator, PATO}

Janeiro 6, 2021, 10:0

Orientação

ORIENTADOR

Alessandro Turchi

Von Karman Institute

Especialista

ORIENTADOR

Filipe Szolnoky Ramos Pinto Cunha

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar