Gas-surface interaction investigation in plasma testing for demise analysis. A preliminary approach for test design

To achieve a sustainable space environment, design for demise strategies represent a mitigation approach that proposes to conceive any space mission that is supposed to fly in Low Earth Orbit (LEO) for the end-of-life disposal through a destructive atmospheric entry. However, improvement in ground testing techniques and methodology is still of paramount importance to perform reliable re-entry predictions. The von Karman Institute for Fluid Dynamics (VKI) plays an important role in the design for demise framework, contributing with multi-scale experiments and modeling to advance the predictive capabilities of the aerothermal demise of metallic and silicate components. Due to the novelty of the phenomena to be studied in the plasma wind tunnel with respect to the past experience on thermal protection systems (TPS), a robust tool capable of efficiently predict test results is required to rigorously design experiments. A step closer in the achievement of this task is proposed, in this thesis, through the development of a weak coupling between a one dimensional material code and a robust CFD solver. An innovative numerical approach is also introduced to monitor the recession behavior of the material during the test, with the aim of improving the already existing standardized framework for ground testing at VKI. Comparison of the numerical simulation against experimental observations on graphite, showed promising accuracy in the prediction of test results. However, a strong dependence on material properties and recession behavior is identified, limiting the applicability of this approach to not very conductive materials that undergoes a mainly frontal recession. These obstacles represent, therefore, a starting point for future research in the field.

Con il fine di realizzare un ambiente spaziale sostenibile, le strategie di design for demise (D4D) rappresentano un approccio mitigante che propone di concepire ogni missione spaziale progettata per volare in Orbita Terrestre Bassa (LEO) con un programma di dismissione di fine vita mirato ad un rientro distruttivo in atmosfera. Un miglioramento nelle tecniche e metodologie di test a terra, è tuttora ancora una necessità fondamentale per ottenere predizioni di rientro affidabili. Il von Karman Institute (VKI) gioca un ruolo importante nel contesto del design for demise, contribuendo con esperimenti multi-scala e modelli nel miglioramento delle capacità predittive di dismissione aerotermodinamica per materiali metallici e silicati. A causa della scarsa familiarità con lo studio di questi fenomeni in galleria del vento al plasma, rispetto all’esperienza passata su materiali di protezione termica (TPS), è richiesto lo sviluppo di uno strumento capace di predire efficacemente i risultati dei test per progettare rigorosamente gli esperimenti. Un passo avanti nella realizzazione di questo obitettivo è proposta, in questa tesi, attraverso lo sviluppo di un accoppiamento debole tra un codice di risposta del materiale monodimensionale e un risolutore CFD robusto. Un approccio numerico innovativo è anche introdotto per monitorare il comportamento di recessione dei campioni durante il test, con l’obiettivo di migliore le già esistenti procedure standardizzate di test al VKI. Il confronto tra le simulazioni numeriche e le osservazioni sperimentali su grafite ha evidenziato un’accuratezza promettente nella predizione dei risultati. Tuttavia, è stata osservata anche una forte sensibilità nei confronti delle proprietà dei materiali e nel comportamento di recessione, limitando l’utilizzo di questo approccio a materiali poco conduttivi che mostrano una recessione prevalentemente frontale. Questi ostacoli rappresentano pertanto, un punto di partenza per una ricerca futura nel settore.