Ensayos experimentales

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Finalmente, solo quedaría determinar el valor de que anula dicha resta. Para ello se colocan los puntos () de los diferentes ensayos en coordenadas y se ajusta por mínimos cuadrados, como puede verse en la

Figura 11. El corte con el eje de abscisas determina la radiación de la fuente (RFλ) buscada.

Figura 11 Ejemplo de sintonización con cuatro temperaturas de fuente

Radial CNLL - Rad CN

5000

4000

3000

2000

1000

0 TUNE of the botton CN

Regresion Line Results Solution

-1000

-2000

0.6 0.6 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Rad CN 2.2 2.4 2.6 x104

Por lo tanto, conocido el valor de radiación de la fuente (RFλ) que hace nula la resta de RFPλ-RFλ), y estimando la transmisividad de la atmósfera entre la pluma y la cámara (ταtm2λ), se puede determinar experimentalmente la temperatura de la pluma (TP).

Además de ser una técnica de medida no intrusiva de la temperatura real de la pluma, la principal ventaja de esta técnica es una mayor precisión en los resultados obtenidos. Si se consigue obtener un punto de medida a cada lado del eje de abscisas, el error en la medición será tan pequeño como el salto de temperaturas entre esos puntos. Otra utilidad de la técnica es que las medidas que se utilizan en esta metodología también pueden ser aprovechadas para realizar la técnica de estimación de la emisividad.

El principal inconveniente viene derivado del número de ensayos a realizar, mínimo tres combustiones con el consiguiente problema que plantea la repetividad de experimentos. De forma análoga a la técnica anterior, se debe asegurar

la capacidad de repetitividad en las plumas para poder realizar las operaciones algebraicas de esta metodología.

Instalaciones y equipos

A continuación, se describe las instalaciones y equipos empleados en esta investigación.

5.1. Cámara de combustión Tanto para los ensayos preliminares de familiarización de la técnica, como para los ensayos posteriores de perfeccionamiento de las metodologías, se utilizó la cámara de combustión del Laboratorio Propulsión de la de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio de la Universidad Politécnica de Madrid.

El aire es aportado por un ventilador radial, mientras que el sistema de alimentación de combustible está compuesto por un depósito, una bomba de combustible, filtros, electroválvulas, un medidor de flujo de combustible (turbina) y un inyector de geometría fija del tipo “swirl”. Para poder asegurar una repetitividad en las condiciones de combustión, se decidió operar a caudal máximo de ambos reactantes. Finalmente, en la Figura 12 se pueden ver las instalaciones donde está ubicada la cámara de combustión.

La validación de las metodologías se pudo comprobar en estas instalaciones gracias al control de la mezcla, a la estabilidad del flujo de la cámara y a la monitorización de la temperatura de la pluma con termopares Tipo-K.

Figura 12 Instalaciones UPM – Cámara de combustión

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5.2. Quemador de propano Para continuar con el perfeccionamiento de las metodologías, se utilizó un quemador de propano, que, colocado a 12 m de distancia, ayudaría a reproducir la configuración de un banco abierto de motores cohete. En la Figura 13 se muestra el quemador utilizado durante los ensayos preliminares.

Este quemador está formado por un iniciador de arco eléctrico, un ventilador de aporte de aire y una bombona de propano. El proceso de combustión se configura a caudal máximo de aire y propano, para poder reproducir las mismas condiciones durante los distintos ensayos. Esta condición de mezcla se encuentra alejada de la mezcla estequiométrica

Por tanto, las temperaturas estimadas serán inferiores a las temperaturas máximas esperadas de ambos reactivos.

Figura 13 Quemador de Propano

5.3. Cámara infrarroja La cámara infrarroja modelo TS-IR MW, de la marca TELOPS, mostrada en la Figura 12, es un sistema de termografía óptico infrarrojo cuyo rango espectral de medida abarca de 3 a 5 µm. El detector de esta cámara infrarroja es de InSb con una resolución de 640 x 512 pixeles de 15 µm de tamaño. La frecuencia máxima de muestreo con esta resolución es de 350 Hz.

5.4. Cuerpo negro En este apartado se describe la fuente de radiación utilizada a lo largo de la investigación. Este instrumento está constituido por una superficie térmicamente

uniforme de muy alta emisividad radiativa (cercana a la unidad), que puede programarse para operar a diferentes temperaturas. El equipo empleado (Figura 14) posee una rueda selectora de 8 aperturas de salida circulares con diámetros comprendidos entre 2,5 mm y 25 mm. Este equipo dispone de un controlador PID capaz de estabilizar la superficie emisora a diferentes temperaturas, comprendidas entre 50 ⁰C y 1000 ⁰C.

5.5. Termopares tipo-K Para la verificación de las metodologías ópticas se han utilizado termopares tipo-K: DTMTC8 (Figura 14). Estos sensores térmicos, compuestos por la unión de dos metales (Níquel/Cromo y Níquel/Aluminio), están diseñados para medir temperaturas de entre – 50C y 1200C. Para mejorar la respuesta del termopar se ha permitido que la soldadura de unión sobresalga de la vaina protectora de acero inoxidable.

A continuación, se muestra la Figura 14 con los equipos anteriormente descritos.

Figura 14 Equipos Empleados: Cámara Infrarroja TELOPS TS‐IR MW (superior izquierda), cuerpo negro HGH‐1000N1 (superior derecha) y termopar tipo‐K modelo DTMTC8 (inferior)

Problemática de aplicación a plumas reales de motores cohete

El objetivo del estudio es obtener el campo de temperatura real de la pluma de motores cohete. Para poder aplicar todas las técnicas propuestas, así como,

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obtener una resolución espacial sería necesario emplear una cámara infrarroja hiperespectral.

Al disponer solo de una cámara infrarroja que integra la radiación de 3 a 5 µm, la técnica de estimación de la emisividad no se podría aplicar. Esta imposibilidad viene de tratar la ecuación de forma integral:

En definitiva, con esta cámara IR no se podría obtener ni la transmisividad de la pluma por longitud de onda (τPλ) ni una transmisividad de la pluma equivalente (τP), ya que el cociente siempre sería función de la temperatura de la fuente (τF) seleccionada. Esto conlleva a descartar la técnica propuesta con los recursos disponibles.

Por otro lado, aunque la técnica de sintonización sigue siendo válida con la cámara de radiación integrada, no se puede extraer (mediante peeling) la temperatura puntual de la pluma. Es importante saber que el output del peeling [rad/m] no tiene las mismas unidades que su entrada [rad]. Este output corresponde con la radiación del cuerpo negro a la temperatura de la pluma (la solución buscada) por el coeficiente de absorción de la pluma [m-1]. Al no disponer de una cámara hiperespectral, solo se obtienen valoren integrados de 3 a 5 μm. Para poder desacoplar el peeling se necesita conocer los coeficientes de absorción de la pluma, es decir, realizar la técnica de emisividad anteriormente descartada. El resultado de esta metodología será una temperatura intermedia del camino óptico vista desde la posición de la cámara, orientativa de la temperatura puntual.

Las medidas con termopares servirán para monitorizar las plumas ensayadas, así como, dar una orientación de los resultados esperados con la metodología de sintonización. Por otro lado, si se corrige la medida del termopar por radiación, conducción y efectos dinámicos, puede ser una medida puntual fiable para verificar un código numérico.

Ensayos experimentales

A lo largo de este apartado se describen los ensayos experimentales llevados a cabo para el desarrollo y validación de las técnicas IR propuestas. Con el objetivo de irse aproximando, de forma controlada, a la naturaleza de un ensayo real con motor cohete, se han realizado ensayos, en primer lugar, en la cámara de combustión de un aerorreactor y, posteriormente, en un quemador de propano.