Development of a Thermochemical Ablation Model for Tungsten and Tungsten Composites

Abstract

In order to develop an ablation model for tungsten and tungsten composites in high temperature environment supposed hypersonic flight and rocket nozzle, in which oxidation causes the ablation mainly, ablation tests on pure tungsten and tungsten composite specimens were conducted in a 150-kW arc heater. For pure tungsten, ten different flow conditions were tested, then changes in length and mass of the specimens were measured after the tests. Changes in shape of the specimen due to ablation were captured during the experiment by a high-speed camera, from which the recession rate over time was calculated. For tungsten composites specimens, HfC and ZrC were used as a reinforcement. W-HfC and W-ZrC with various contents of the reinforcements was tested in the same test condition, and the increase of ablation resistance by adding the reinforcement was investigated. A numerical simulation on the test conditions was performed by an axi-symmetric non-equilibrium flow solver to calculate surface heat transfer rate and species mass fraction which could not be measured by the experiment because of the limitations of the arc heater facility. In addition, the numerical simulation was used to investigate the effects of shape changes, particularly position and radius of the specimen, on heat transfer rate during the test. The study confirmed that the change in shape of the specimen alone could reduce the stagnation point heat transfer rate by approximately 35% during the test. Finally, a thermochemical ablation model and an ablation analysis program for tungsten which consist of a non-equilibrium flow solver coupled with a solid thermal response solver were developed. The program simulated the ablation test result of pure tungsten decently, including the stagnation point recession rate and the shape changes of the specimen over time.

극초음속 비행이나 로켓 노즐과 같은 고온 환경, 특히 산화가 주 삭마 메커니즘으로 작용하는 환경에서 순수 텅스텐과 강화재가 첨가된 텅스텐 복합재의 삭마 모델 개발을 위하여, 150-kW 아크 히터를 이용해 삭마 실험을 수행하였다. 순수 텅스텐에 대해 총 10 가지 다른 유동조건에서 실험하였으며, 실험 전후 질량 및 길이 변화를 측정하였다. 고속 카메라를 이용하여 실험과정에서 삭마에 의한 시편의 형상변화를 촬영하였으며, 이를 통해 시간에 대한 길이 삭마량을 계산하였다. 텅스텐 복합재 시편에는 하프늄 카바이드와 지르코늄 카바이드가 강화재로 사용되었다. 동일한 실험 조건에서 각각 다양한 조성을 갖는 텅스텐-하프늄 카바이드, 텅스텐-지르코늄 카바이드 시편에 대한 실험을 수행하였으며, 강화재 함량의 증가에 따른 내삭마능 증가효과를 조사하였다. 실험에 사용된 아크히터의 제약조건들로 인해 실험에서 측정하지 못한 표면 열전달량과 화학종 질량분율을 계산하기 위해 축대칭 비평형 유동 솔버를 이용하여 실험조건에 대한 수치해석을 수행하였다. 또한, 수치 해석을 이용하여 실험 도중 시편의 위치나 반지름과 같은 시편 형상의 변화가 열전달량에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과, 시편의 형상변화만으로도 실험도중 정체점 열전달량이 35%까지 감소할 수 있음이 확인되었다. 최종적으로, 텅스텐에 대한 삭마 모델과 함께 비평형 유동 솔버와 고체 열해석 솔버를 결합한 삭마 해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 정체점에 대한 삭마 속도뿐만 아니라 시간에 따른 시편의 형상변화까지도 훌륭히 모사하였다.