PT107152A - METHOD AND SYSTEM FOR THE MONITORING OF BONDING PROCESSES IN THERMAL PROTECTION SYSTEMS - Google Patents

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PT107152A
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thermal
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PT107152A
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Fernando Ant Nio Dos Santos Sim Es
Abel Borges Ferreira Mendes
Ivo Alexandre De Oliveira Ribeiro
Tiago Manuel De Oliveira Marques
Joaquim Miguel Nunes Varandas
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Active Space Technologies Actividades Aeroespaciais Lda
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Abstract

A INVESTIGAÇÃO DE PROCESSOS DE ABLAÇÃO QUE OCORREM NA SUPERFÍCIE DE SISTEMAS DE PROTECÇÃO TÉRMICA DURANTE A ENTRADA OU REENTRADA ATMOSFÉRICA É FUNDAMENTAL PARA A AVALIAÇÃO DO RISCO DA MISSÃO E DOS REQUISITOS DE MASSA DO SISTEMA. ESTA INVENÇÃO APRESENTA UM CONCEITO DE UM SENSOR ELÉCTRICO NÃO INTRUSIVO, COM MASSA REDUZIDA E BAIXA POTÊNCIA, PARA MONITORIZAR OS PROCESSOS DE ABLAÇÃO EM SISTEMAS DE PROTECÇÃO TÉRMICA. ESTE SENSOR ELÉCTRICO É INSPIRADO NA TÉCNICA DE IMPEDÂNCIA MÚTUA E APROPRIADO PARA APLICAÇÕES DE INSTRUMENTAÇÃO ESPACIAL. O SENSOR ATINGE UMA RESOLUÇÃO MELHOR QUE 0,5 MM PARA ESCUDOS TÉRMICOS DE PELO MENOS 50 MM DE ESPESSURA.THE INVESTIGATION OF ABLATION PROCESSES THAT OCCUR IN THE SURFACE OF THERMAL PROTECTION SYSTEMS DURING THE ATMOSPHERIC ENTRY OR REINFORCEMENT IS FUNDAMENTAL FOR THE ASSESSMENT OF THE MISSION RISK AND THE SYSTEM MASS REQUIREMENTS. THIS INVENTION PRESENTS A CONCEPT OF A NON INTRUSIVE ELECTRIC SENSOR WITH REDUCED MASS AND LOW POWER TO MONITOR THE BONDING PROCESSES IN THERMAL PROTECTION SYSTEMS. THIS ELECTRICAL SENSOR IS INSPIRED IN THE MUTUAL IMPEDANCE TECHNIQUE AND SUITABLE FOR SPACE INSTRUMENTATION APPLICATIONS. THE SENSOR ACHIEVES A RESOLUTION BETTER THAN 0.5 MM FOR THERMAL SHIELDS AT LEAST 50 MM THICKNESS.

Description

Descrição Método e sistema para a monitorização de processos de ablação em sistemas de protecção térmicaDescription Method and system for the monitoring of ablation processes in thermal protection systems

Domínio Técnico da Invenção A presente invenção está associada com um método e sistema para aplicações espaciais. Nesta patente é descrita instrumentação espacial que tem por objectivo aumentar a segurança dos veículos e missões espaciais. Para além disso, pretende-se optimizar os requisitos de massa de sistema de protecção térmica (TPS) sem aumentar o risco de falha da missão. A investigação do desempenho de TPS durante e após reentrada na atmosfera é normalmente ineficiente ou impossível. Sendo o escudo térmico de veículos espaciais um elemento crítico, os requisitos da missão englobam sempre uma sobre-estimação significativa da massa do TPS de modo a mitigar o risco de falha do veículo. Nesta patente apresenta-se um sensor eléctrico, baseado na técnica de impedância mútua (MI), para a monitorização da taxa de ablação de escudos térmicos. Este sensor eléctrico não invasivo é apropriado para sondas planetárias assim como missões tripuladas. Para além disso, o sensor pode ser utilizado na investigação de física de plasmas e processos aerotermodinâmicos na ionosfera durante a reentrada na Terra ou durante a entrada na atmosfera de outros planetas. A Técnica AnteriorTechnical Field of the Invention The present invention is associated with a method and system for space applications. This patent describes space instrumentation which aims to increase the safety of vehicles and space missions. In addition, it is intended to optimize the thermal protection system (TPS) mass requirements without increasing the risk of mission failure. Investigation of TPS performance during and after re-entry into the atmosphere is usually inefficient or impossible. Since the thermal shield of space vehicles is a critical element, mission requirements always involve a significant over-estimation of the mass of the TPS in order to mitigate the risk of vehicle failure. In this patent, an electrical sensor, based on the mutual impedance (MI) technique, is presented for the monitoring of the ablation rate of thermal shields. This non-invasive electric sensor is suitable for planetary probes as well as manned missions. In addition, the sensor can be used in the investigation of plasma physics and aero-thermodynamic processes in the ionosphere during reentry on Earth or during the entry into the atmosphere of other planets. The Prior Art

Veículos espaciais que entrem numa atmosfera planetária requerem o uso de um escudo térmico para os proteger de aquecimento aerodinâmico. 0 aquecimento aerodinâmico é gerado na superfície de um objecto durante a entrada na atmosfera devido à combinação de fenómenos de compressão e fricção dos gases envolventes. A energia gerada pelos processos de aquecimento aerodinâmico é radiada novamente para o meio exterior devido à elevada temperatura da superfície do objecto. Variação de ablação do TPS está intimamente ligada à sua massa assim como à transferência de calor e reacções químicas que ocorrem na camada limite do gás. Na presente invenção, o termo ablação é utilizado para denotar a remoção de material do escudo térmico devido a aquecimento e pirólise causados por resistência de gás atmosférico. 0 TPS pode englobar uma fracção significativa da massa da nave espacial ou sonda planetária. Por exemplo, o escudo térmico ablativo do módulo de comando Apollo compreendia cerca de 1/3 da massa total do veículo, e a fracção na sonda Huygens era cerca de 1/4. Para comparação, a carga útil científica na sonda Huygens era cerca de metade da massa do escudo térmico. A massa do escudo térmico é normalmente sobre-estimada para aumentar a margem de segurança da missão. Como a análise do desempenho do TPS durante e após a ablação é normalmente ineficiente ou impossível, e sendo o escudo térmico um ponto crítico de falha, os requisitos da missão englobam uma sobre-estimação significativa da massa do TPS. Assim sendo, monitorização da recessão da superfície do escudo causada por processos de ablação durante a entrada atmosférica é crucial para avaliar e quantificar a perda de massa, e consequentemente aumentar o desempenho do TPS.Space vehicles that enter a planetary atmosphere require the use of a heat shield to protect them from aerodynamic heating. Aerodynamic heating is generated on the surface of an object during atmospheric entry due to the combination of compression and friction phenomena of the surrounding gases. The energy generated by the aerodynamic heating processes is radiated back into the outer medium due to the high surface temperature of the object. Variation of TPS ablation is closely linked to its mass as well as the transfer of heat and chemical reactions occurring in the gas boundary layer. In the present invention, the term ablation is used to denote the removal of material from the heat shield due to heating and pyrolysis caused by atmospheric gas resistance. The TPS may encompass a significant fraction of the mass of the spacecraft or planetary probe. For example, the ablative thermal shield of the Apollo command module comprised about 1/3 of the total mass of the vehicle, and the fraction in the Huygens probe was about 1/4. For comparison, the scientific payload on the Huygens probe was about half the mass of the heat shield. The mass of the thermal shield is usually overestimated to increase the margin of safety of the mission. As the TPS performance analysis during and after ablation is usually inefficient or impossible, and since the heat shield is a critical failure point, the mission requirements encompass a significant over-estimation of the TPS mass. Thus, monitoring the shield surface recession caused by ablation processes during atmospheric entry is crucial to assess and quantify mass loss, and consequently increase TPS performance.

Para além disso, monitorização do desempenho do escudo térmico pode ser útil para investigar fenómenos aerotermodinâmicos e a interacção do material ablativo com o plasma envolvente. Algumas ligas metálicas de alta temperatura conseguem resistir ao aquecimento durante a reentrada devido ao facto de grande parte da energia ser re-radiada. Esta técnica é chamada de dissipação térmica, porém a quantidade de metal necessária para proteger o veiculo é elevada. Materiais cerâmicos resistentes a altas temperaturas fazem parte de uma família adequada para aplicações de TPS, garantindo melhor operacionalidade. Para cerâmicos monolíticos, estes materiais possuem um ponto de fusão extremamente elevado, alta resistência à oxidação em ambientes típicos de reentrada e resistência mecânica razoável. 0 desenho do escudo térmico é complexo e requer normalmente a inclusão de múltiplas camadas para aumentar a protecção da nave espacial ou da sonda. Materiais refractários ablativos são a solução mais adequada para controlar e canalizar os fluxos térmicos durante a reentrada. Materiais compósitos como carbono fenólico, nylon fenólico e resinas carbono-carbono reforçadas têm sido usados no projecto de escudos térmicos. Por exemplo, no TPS do Space Shuttle era utlizada uma resina carbono-carbono reforçada, um material compósito feito de grafite impregnada com resina. Depois de curado a alta temperatura, o laminado era pirolisado para converter a resina em carvão. 0 produto resultante era depois impregnado com álcool furfural numa câmara de vácuo, sendo novamente curado e pirolisado para carbonizar o álcool. De modo a aumentar a resistência à oxidação e a sua capacidade de reutilização, as camadas exteriores das resinas carbono-carbono reforçadas são convertidas em carboneto de silício. 0 revestimento em carboneto de silício protege a matriz carbono-carbono de oxidação. 0 escudo térmico do Space Shuttle incluía ainda outros tipos de telhas, nomeadamente com isolamento compósito fibroso refractário e materiais de fibras de vidro de sílica pura (e.g., LI-900) . Alguns materiais incluem uma cobertura de vidro curado à base de sílica e óxido de alumínio. 0 escudo da sonda Huygens incluía um escudo frontal feito de uma estrutura em sanduíche composta por uma estrutura de alumínio em favo de mel e uma cobertura em plástico reforçado com fibra de carbono, bem como duas protecções térmicas ablativas. 0 escudo frontal incluía um feltro feito com fibras curtas reforçadas com resina fenólica (e.g. AQ60/I). Essas telhas eram ligadas à estrutura e unidas com cola de silicone. Outros materiais, nomeadamente carboneto de silício e Calcarb®, têm sido utilizados para investigar a radiação através da superfície do TPS submetido a altas temperaturas. Este último é um material feito de fibras de carbono curtas, interligadas numa matriz produzida por carbonização de resina fenólica. Um outro compósito frequentemente utilizado em aplicações espaciais, nomeadamente em escudos térmicos, é a cortiça P50. Este compósito celular combina alto teor de cortiça (geralmente acima de 70%) com um termoendurecedor (resina fenólica termoendurecida com plastificador poliol) para produzir um material com elevada capacidade isolante. Embora possuindo propriedades mecânicas e térmicas claramente diferentes, estes materiais são maus condutores eléctricos, permitindo uma avaliação operacional da sua polarizabilidade e propriedades dieléctricas.In addition, monitoring of heat shield performance may be useful for investigating aero-thermodynamic phenomena and the interaction of ablative material with surrounding plasma. Some high temperature metal alloys can withstand heating during re-entry due to the fact that much of the energy is re-radiated. This technique is called thermal dissipation, but the amount of metal needed to protect the vehicle is high. Ceramic materials resistant to high temperatures are part of a family suitable for TPS applications, ensuring better operation. For monolithic ceramics, these materials have an extremely high melting point, high oxidation resistance in typical re-entry environments and reasonable mechanical resistance. The design of the thermal shield is complex and usually requires the inclusion of multiple layers to increase protection of the spacecraft or probe. Ablative refractory materials are the most appropriate solution for controlling and channeling thermal flows during re-entry. Composite materials such as phenolic carbon, phenolic nylon and reinforced carbon-carbon resins have been used in the design of thermal shields. For example, in the Space Shuttle TPS, a carbon-carbon reinforced resin, a composite material made of graphite impregnated with resin, was used. After curing at high temperature, the laminate was pyrolyzed to convert the resin to charcoal. The resulting product was then impregnated with furfural alcohol in a vacuum chamber, again cured and pyrolyzed to carbonise the alcohol. In order to increase the oxidation resistance and its reusability, the outer layers of the reinforced carbon-carbon resins are converted to silicon carbide. The silicon carbide coating protects the carbon-carbon matrix from oxidation. The Space Shuttle thermal shield also included other types of roofing, namely refractory fibrous composite insulation and pure silica (e.g., LI-900) glass fiber materials. Some materials include a cured glass cover based on silica and aluminum oxide. The Huygens probe shell included a front shell made of a sandwich structure composed of a honeycomb aluminum frame and a carbon fiber reinforced plastic cover as well as two ablative thermal shields. The front shield included a felt made from short fibers reinforced with phenolic resin (e.g. AQ60 / I). These tiles were attached to the frame and joined with silicone glue. Other materials, namely silicon carbide and Calcarb®, have been used to investigate the radiation across the surface of the TPS subjected to high temperatures. The latter is a material made of short carbon fibers, interconnected in a matrix produced by carbonization of phenolic resin. Another composite often used in space applications, namely thermal shields, is P50 cork. This composite combines high cork content (usually above 70%) with a thermosetting resin (phenolic resin thermosetting with polyol plasticizer) to produce a material with high insulating capacity. Although having distinctly different mechanical and thermal properties, these materials are poor electrical conductors, allowing an operational assessment of their polarizability and dielectric properties.

Existem várias técnicas adequadas à medição de propriedades dieléctricas de materiais. A técnica MI permite a medição da parte real e imaginária da constante dieléctrica. Uma corrente sinusoidal de amplitude constante, I, e frequência angular CO, é injectada entre dois eléctrodos transmissores, Txl e Tx2, induzindo uma tensão, V, entre dois eléctrodos receptores, Rxl e Rx2. A razão complexa V/I é a MI do conjunto. A Figura 1 apresenta um esboço da técnica de medição de MI.There are several techniques suitable for measuring dielectric properties of materials. The MI technique allows the measurement of the real and imaginary part of the dielectric constant. A sinusoidal current of constant amplitude, I, and angular frequency CO, is injected between two transmitting electrodes, Txl and Tx2, inducing a voltage, V, between two receiving electrodes, Rxl and Rx2. The complex ratio V / I is the MI of the set. Figure 1 shows an outline of the IM measurement technique.

Se Aa e φο forem a amplitude e fase do estímulo no vazio e A e φ num dado meio homogéneo, a permitividade relativa e condutividade do meio são dadas, respectivamente, por (01) eIf Aa and φ are the amplitude and phase of the stimulus in the void and A and φ in a given homogeneous medium, the relative permittivity and conductivity of the medium are given by (01) and

(02) onde ε0 é a permitividade do vazio.(02) where ε0 is the permittivity of the void.

As Equações (01-02) são aplicáveis quando as fontes de corrente e tensão são perfeitas. Utilização das Equações (01-02) requer que as seguintes condições sejam cumpridas: (i) a separação entre eléctrodos é muito maior que o seu tamanho; (ii) o comprimento de onda do sinal injectado é muito maior que o tamanho do conjunto; (iii) o meio é homogéneo; (iv) a impedância do gerador de corrente e pre-amplificadores é infinita; e (v) a calibração do sensor num ambiente de referência é conhecida. A avaliação das propriedades dieléctricas requer uma análise mais elaborada quando uma ou mais condições não é cumprida. Os instrumentos são normalmente calibrados num meio onde as propriedades dieléctricas são conhecidas, e.g. em ar ou vazio. Os efeitos de polarização nos meios heterogéneos são função não só da composição e temperatura do meio mas também da frequência do estimulo.Equations (01-02) apply when the current and voltage sources are perfect. Using Equations (01-02) requires that the following conditions be met: (i) the electrode separation is much larger than its size; (ii) the wavelength of the injected signal is much larger than the size of the set; (iii) the medium is homogeneous; (iv) the impedance of the current generator and preamplifiers is infinite; and (v) calibration of the sensor in a reference environment is known. The evaluation of the dielectric properties requires a more elaborate analysis when one or more conditions are not fulfilled. The instruments are usually calibrated in a medium where the dielectric properties are known, e.g. in air or vacuum. The effects of polarization on the heterogeneous media are a function not only of the composition and temperature of the medium but also of the frequency of the stimulus.

Para além da variação com composição e geometria, as propriedades dieléctricas em meios heterogéneos exibem normalmente uma forte dependência com a frequência, podendo ser atribuída às propriedades multifásicas do meio em questão. Um exemplo dessa dependência é o mecanismo de polarização interfacial responsável por um forte aumento da constante dieléctrica a baixas frequências. Este mecanismo é originado pelo processo de acumulação de carga nas interfaces entre duas fases com diferente condutividade e permitividade, conhecido como efeito de Maxwell-Wagner. Este efeito origina um aumento significativo das propriedades dieléctricas de misturas, nomeadamente em meios estratificados. A técnica MI foi inicialmente introduzida em geofísica para medir a condutividade eléctrica do solo e da rocha-mãe, bem como na prospecção de petróleo. Esta técnica foi mais tarde generalizada para plasmas espaciais, nomeadamente medições a bordo de satélites nas regiões da ionosfera e magnetosfera. A técnica MI é particularmente importante em estudos de plasmas espaciais devido ao facto de os eléctrodos estarem rodeados por camadas iónicas gue, através do fenómeno de blindagem de Debye, modificam a impedância própria do meio em questão. Um quadripolo baseado na técnica MI foi utilizado na sonda Huygens durante a sua descida através da atmosfera de Titã, onde foi medida a condutividade da atmosfera, assim como no solo, em que foram medidas as propriedades dieléctricas do substrato gelado (cf. F. Simões, Theoretical and experimental studies of electromagnetic resonances in the ionospheric cavities of planets and satellites; instrument and mission perspectives, PhD Thesis, UPMC, France, 2007, e referências inclusas). Urn sensor MI faz parte do módulo de superfície Philae, parte da sonda Rosetta, que tem como destino o cometa Churyumov-Gerasimenko. Várias patentes desenvolvem a técnica MI e descrevem funções especificas de sensores eléctricos, antenas e outros dispositivos. Embora marginalmente relacionadas com a presente invenção, é importante referir algumas onde esta técnica foi utilizada. A patente JP2003270285 propõe um método inovador com o objectivo de calcular o ponto de falha numa linha de transmissão, instalando para isso terminais eléctricos nos extremos da linha. 0 método apresenta várias tecnologias para determinar as falhas na linha, incluindo a técnica IM. A patente CN102590633 apresenta um método para medir a impedância própria e a MI entre dispositivos eléctricos no subsolo. Este método permite avaliar a impedância própria e a MI entre nós correspondentes, de acordo com a relação de reciprocidade entre impedância e admitância. A patente KR20040031297 descreve uma antena que utiliza MI numa unidade compacta de banda múltipla para ser montada em diversos tipos de terminais de comunicação, e.g. sistemas globais de comunicações móveis. Os elementos de radiação apresentam uma combinação complexa de formações condutoras planares e tridimensionais numa estrutura chip multi-camada. A patente US2006192679 descreve um instrumento que indica quando a quantidade de água em plantas é insuficiente; esta invenção está ligada às aplicações mais antigas da técnica MI para medir a resistência de solos. Uma distribuição específica de eléctrodos faz uso desta técnica para determinar a impedância do solo e, indirectamente, inferir a quantidade de humidade. 0 instrumento é composto por uma estrutura estreita e rígida que pode facilmente ser encaixada num pequeno vaso de plantas.In addition to variation with composition and geometry, the dielectric properties in heterogeneous media usually exhibit a strong frequency dependence and can be attributed to the multiphase properties of the medium in question. An example of this dependence is the interfacial polarization mechanism responsible for a strong increase in the dielectric constant at low frequencies. This mechanism is caused by the charge accumulation process at the interfaces between two phases with different conductivity and permittivity, known as the Maxwell-Wagner effect. This effect gives rise to a significant increase in the dielectric properties of mixtures, in particular in stratified media. The MI technique was initially introduced in geophysics to measure the electrical conductivity of the soil and the parent rock, as well as in oil prospecting. This technique was later generalized to spatial plasmas, namely measurements on board satellites in the ionosphere and magnetosphere regions. The MI technique is particularly important in studies of spatial plasmas because the electrodes are surrounded by ionic layers which, through the Debye shielding phenomenon, modify the proper impedance of the medium in question. A quadrupole based on the MI technique was used in the Huygens probe during its descent through the atmosphere of Titan, where it was measured the conductivity of the atmosphere, as well as in the soil, in which the dielectric properties of the frozen substrate were measured (see F. Simões , Theoretical and experimental studies of electromagnetic resonances in the ionospheric cavities of planets and satellites, instrument and mission perspectives, PhD Thesis, UPMC, France, 2007, and references included). An MI sensor is part of the Philae surface module, part of the Rosetta probe, which targets comet Churyumov-Gerasimenko. Several patents develop the MI technique and describe specific functions of electrical sensors, antennas and other devices. Although marginally related to the present invention, it is important to mention some where this technique was used. JP2003270285 proposes an innovative method for calculating the point of failure in a transmission line by installing electric terminals at the ends of the line. The method presents various technologies for determining line faults, including the IM technique. The CN102590633 patent discloses a method for measuring the impedance itself and MI between electrical devices underground. This method allows to evaluate the own impedance and MI between corresponding nodes, according to the reciprocal relationship between impedance and admittance. Patent KR20040031297 describes an antenna which uses MI in a multiband compact unit to be mounted on various types of communication terminals, e.g. global mobile communication systems. The radiation elements present a complex combination of planar and three-dimensional conductive formations in a multi-layer chip structure. US2006192679 discloses an instrument which indicates when the amount of water in plants is insufficient; this invention is linked to the older applications of the MI technique to measure soil resistance. A specific electrode distribution makes use of this technique to determine soil impedance and indirectly infer the amount of moisture. The instrument is composed of a narrow and rigid structure that can easily be fitted into a small plant pot.

Sendo a presente invenção particularmente apropriada para monitorizar o desempenho de sondas de reentrada na atmosfera terrestre ou entrada em atmosferas de outros planetas, a discussão das patentes que avaliam a recessão em TPS é importante para contextualização da tecnologia. A patente FR2811018 discute um material ablativo usado para revestir ou isolar parte do motor de um foguete. 0 material é composto por uma matriz de resina, com reforço de carbono e poliamida aromática. A patente US2011036953 descreve um sistema e um método para integração de instrumentação num TPS. 0 sistema inclui um corpo principal composto pelo material de protecção térmica, com um ou vários sensores embebidos, e um processador. Os sensores podem incluir sensores de recessão da camada ablativa, transdutores de pressão, termopares e acelerómetros. Ainda que sensores como termopares e acelerómetros sejam amplamente utilizados e o seu comportamento bem conhecido, a utilização de sensores de recessão é escassa e a tecnologia a eles associada não está formalmente descrita.As the present invention is particularly suitable for monitoring the performance of reentry probes in the terrestrial atmosphere or entry into atmospheres of other planets, discussion of the patents that evaluate the recession in TPS is important for contextualizing the technology. FR 2811018 discusses an ablative material used to coat or isolate part of the engine of a rocket. The material is composed of a resin matrix with carbon reinforcement and aromatic polyamide. US2011036953 describes a system and method for integration of instrumentation into a TPS. The system includes a main body composed of heat shielding material, with one or more embedded sensors, and a processor. Sensors may include ablation layer recession sensors, pressure transducers, thermocouples, and accelerometers. Although sensors such as thermocouples and accelerometers are widely used and their behavior well known, the use of recession sensors is scarce and the technology associated with them is not formally described.

Duas patentes, US6590403 e US8069001, descrevem instrumentação para a monitorização da taxa de ablação em TPS. A patente US6590403 descreve um sistema e um método para medir a regressão num material, através de um sensor que compreende um substrato com quatro faixas condutoras e um transmissor de sinal. 0 sensor utiliza princípios de operação eléctrica e térmica, sendo pelo menos dois elementos condutores do sensor constituídos por materiais com um coeficiente de variação térmica de resistência conhecido. 0 sensor é usado para medir a recessão de um material, e.g., oxidante e combustível sólido, propelente sólido em mísseis, bocais ablativos e materiais de protecção térmica. A patente US8069001 descreve o sensor de ablação e o método usado na sonda Galileo para avaliar o desempenho do TPS durante a entrada na atmosfera de Júpiter. 0 sensor eléctrico, embebido no escudo térmico, é designado por detector de ablação e resistência analógico (ARAD). Informação complementar sobre o sensor pode ser encontrado em inúmeras publicações (e.g. F.S. Milos, Galileo Probe Heat Shield Ablation Experiment, Journal of Spacecraft and Rockets, 34, 705-713, 1997; T. Oishi et al., Current Developments in Future Planetary Probe Sensors for TPS: Heat shield Ablation Detector Adaptation to Mid Density Ablators, Proc. 3rd International Workshop Planetary Probe, ESA SP-607, 2006; F.S. Milos et al., Analysis of Galileo Probe Heat shield Ablation and Temperature Data, Journal of Spacecraft and Rockets, 36, 298-306, 1999) . Urn sensor isotérmico monitoriza, durante a reentrada, a temperatura do escudo em função do tempo e estima a recessão na superfície exterior exposta, através de calibração e modelação numérica. 0 sensor inclui dois condutores resistivos enrolados helicoidalmente, onde duas extremidades, uma de cada condutor, estão ligadas a uma fonte de corrente constante. As outras duas extremidades estão isoladas electricamente entre si até ao ponto em que, a altas temperaturas, o meio se torna condutor, fechando o circuito. Os condutores do sensor tornam-se mais pequenos com o decorrer do processo ablativo e a redução de resistência no circuito é monitorizada continuamente. A resistência dos condutores é proporcional ao seu comprimento e, consequentemente, variações no tamanho do condutor originam variações na tensão do circuito. Termopares e dispositivos piezoeléctricos são utilizados para verificar a consistência das medições relativamente à temperatura. De entre as aplicações e métodos discutidos acima, a patente US8069001 apresenta o conceito mais aproximado ao descrito na presente invenção.Two patents, US6590403 and US8069001, disclose instrumentation for the monitoring of the ablation rate in TPS. US6590403 describes a system and method for measuring regression in a material, through a sensor comprising a substrate with four conductor bands and a signal transmitter. The sensor uses principles of electrical and thermal operation, at least two sensor elements consisting of materials having a known coefficient of thermal resistance variation. The sensor is used to measure the recession of a material, e.g., oxidant and solid fuel, solid propellant in missiles, ablative nozzles and heat shielding materials. US8069001 describes the ablation sensor and the method used in the Galileo probe to evaluate the performance of TPS during the entry into the atmosphere of Jupiter. The electrical sensor, embedded in the thermal shield, is called the ablation detector and analog resistance (ARAD). Additional information about the sensor can be found in numerous publications (eg FS Milos, Galileo Probe Heat Shield Ablation Experiment, Journal of Spacecraft and Rockets, 34, 705-713, 1997; T. Oishi et al., Current Developments in Future Planetary Probe Sensors for TPS: Heat shield Ablation Detector Adaptation to Mid Density Ablators, Proc. 3rd International Workshop Planetary Probe, ESA SP-607, 2006; FS Milos et al., Analysis of Galileo Probe Heat shield Ablation and Temperature Data, Journal of Spacecraft and Rockets, 36, 298-306, 1999). An isothermal sensor monitors, during re-entry, the shield temperature as a function of time and estimates the recession on the exposed outer surface, through calibration and numerical modeling. The sensor includes two helically wound resistive conductors, wherein two ends, one of each conductor, are connected to a constant current source. The other two ends are electrically insulated from each other to the point where, at high temperatures, the medium becomes conductive, closing the circuit. The sensor leads become smaller in the course of the ablative process and the resistance reduction in the circuit is monitored continuously. The resistance of the conductors is proportional to their length and consequently variations in the size of the conductor cause variations in the voltage of the circuit. Thermocouples and piezoelectric devices are used to verify the consistency of measurements relative to temperature. Of the applications and methods discussed above, the patent US8069001 presents the concept closest to that described in the present invention.

As soluções apresentadas na presente invenção para medir a recessão da camada ablativa em TPS durante entrada ou reentrada atmosférica devem observar vários requisitos: (i) monitorização autónoma e em tempo real; (ii) capacidade de operação remota e de aplicação não intrusiva; (iii) conformidade com os requisitos da missão espacial como massa reduzida, baixa potência e alta radiação; (iv) imunidade a elevados gradientes térmicos e a interferência electromagnética; (v) fácil adaptação e instalação em diferentes geometrias de escudo térmico; (vi) capacidade de caracterizar a ablação bem como o plasma envolvente; e (vii) sensibilidade de alguns milímetros para um escudo com espessura de, pelo menos, dez centímetros e resolução temporal melhor que um segundo. A técnica descrita na patente US8069001 (resistências embebidos no material ablativo) cumpre alguns destes requisitos. No entanto, o sensor é intrusivo e não é facilmente adaptável a diferentes geometrias de escudo térmico. A presente invenção cumpre os requisitos acima descritos e, além disso, a sua precisão pode ser melhorada. Ao contrário da medição de impedância, a técnica MI não é necessariamente intrusiva e varrimentos em frequência garantem informação complementar que pode proporcionar um aumento da exactidão do sistema.The solutions presented in the present invention for measuring the recess of the ablative layer in TPS during atmospheric entry or re-entry must meet several requirements: (i) autonomous and real-time monitoring; (ii) capability of remote operation and non-intrusive application; (iii) compliance with space mission requirements such as reduced mass, low power and high radiation; (iv) immunity to high thermal gradients and electromagnetic interference; (v) easy adaptation and installation in different thermal shield geometries; (vi) ability to characterize ablation as well as surrounding plasma; and (vii) sensitivity of a few millimeters for a shield with a thickness of at least ten centimeters and temporal resolution better than one second. The technique described in the patent US8069001 (resistances embedded in the ablative material) fulfills some of these requirements. However, the sensor is intrusive and is not easily adaptable to different heat shield geometries. The present invention fulfills the requirements described above and, in addition, its accuracy can be improved. Unlike impedance measurement, the MI technique is not necessarily intrusive, and frequency sweeps provide additional information that can provide an increase in system accuracy.

Descrição das FigurasDescription of Figures

Os aspectos precedentes e as vantagens esperadas da presente invenção são descritas resumidamente e acompanham a descrição detalhada. De forma a melhorar a legibilidade do método e sistema propostos, explicado na descrição, são incluídas as seguintes figuras: A Figura 1 ilustra o princípio MI com dois transmissores (Txl e Tx2) . Um sinal de frequência (ω) , amplitude (ATx) e fase (φΐχ) conhecidas é injectado no meio e a perturbação correspondente (ARx e (pRx) é medida em dois receptores (Rxl e Rx2). A Figura 2 descreve uma localização dos eléctrodos do sensor no escudo de uma sonda de reentrada. A Figura 3 esboça os três módulos e os elementos mais importantes do sensor. A Figura 4 ilustra uma distribuição típica de eléctrodos na superfície do TPS. A Figura 5 mostra a amplitude e a fase de um sinal medido a 1 kHz em função da espessura de uma pilha de material P50, para duas configurações (em cima - eléctrodos pequenos: LXWXHXG=17X3XÍX7 mm; em baixo - eléctrodos grandes: LXWXHXG: 48X8X1X12 mm). A Figura 6 representa a fase e a amplitude medidas durante a pirólise de uma placa de P50 com 10 mm de espessura às frequências de 1, 5 e 10 kHz. A Figura 7 mostra o sinal MI com 1 kHz em função da espessura de uma pilha de material P50. A Figura 8 representa valores medidos (esquerda e meio) e calculados (direita) da amplitude e fase do sinal a 1 e 10 kHz, onde as linhas finas e grossas representam resultados numéricos com e sem equipotencial na frente do escudo, respectivamente.The foregoing aspects and expected advantages of the present invention are briefly described and follow the detailed description. In order to improve the readability of the proposed method and system, explained in the description, the following figures are included: Figure 1 illustrates the MI principle with two transmitters (Txl and Tx2). A known frequency (ω), amplitude (ATx) and phase (φχ) signal is injected into the medium and the corresponding perturbation (ARx and (pRx) is measured at two receivers (Rxl and Rx2). Figure 3 shows the three modules and the most important elements of the sensor Figure 4 shows a typical distribution of electrodes on the surface of the TPS Figure 5 shows the amplitude and phase of the sensor in the shield of a re-entry probe. a signal measured at 1 kHz as a function of the thickness of a stack of material P50, for two configurations (top - small electrodes: LXWXHXG = 17X3XX7 mm; low - large electrodes: LXWXHXG: 48X8X1X12 mm). and the amplitude measured during the pyrolysis of a 10 mm thick P50 plate at the frequencies of 1, 5 and 10 kHz. Figure 7 shows the MI signal at 1 kHz as a function of the thickness of a stack of material P50. 8 represents measured values (left in eio) and calculated (right) of the amplitude and phase of the signal at 1 and 10 kHz, where the fine and coarse lines represent numerical results with and without equipotential in front of the shield, respectively.

Descrição Sumária da Invenção A tecnologia referente a TPS é utilizada em veículos espaciais de alta velocidade durante reentrada atmosférica ou em sondas planetárias. A modelação de fenómenos aerotermodinâmicos é essencial para avaliar a ablação no escudo térmico. Reacções químicas envolvendo diferentes variações de entalpia e transição de fase tornam os modelos mais complexos. O carbono, e.g. sob a forma de grafite, é o material mais simples utilizado para investigar processos ablativos. Os materiais de TPS são normalmente compósitos reforçados com resina orgânica. A pirólise da resina produz gases que penetram através da superfície em ablação e são injectados no escoamento exterior. Os modelos prevêem geralmente uma recessão do escudo térmico em cerca de 2,5 mm, mas a camada afectada pode ser consideravelmente maior. Assim sendo, a resolução dos sensores para estimar a espessura da camada recessiva deve ser de, pelo menos, 1 mm. A permitividade relativa caracteriza a capacidade de um material acumular carga, e a susceptibilidade eléctrica é uma medida da facilidade do meio se polarizar em resposta a campos eléctricos. Quando um campo eléctrico é aplicado, a energia potencial das orientações alinhadas a favor do campo é reduzida enquanto a energia das orientações alinhadas em oposição ao campo aumenta. Transições de fase conduzem normalmente a descontinuidades da permitividade e da condutividade de materiais refractários; este efeito é particularmente visível a baixas frequências onde a energia livre, a dinâmica molecular e os fenómenos de interface desempenham um papel importante. Por esta razão, são seleccionadas frequências na gama ELF (Extremely Low Frequency) e VLF (Very Low Frequency). A permitividade relativa é definida como a razão entre a quantidade de energia eléctrica armazenada num material por aplicação de uma tensão e a energia armazenada em vazio; da mesma forma, pode ser vista como a razão entre a capacitância de um condensador utilizando esse material como dieléctrico e a capacitância de um condensador igual utilizando vácuo como dieléctrico. A permitividade pode ser uma função de múltiplos parâmetros, onde os mais importantes são a composição do meio e a frequência do estímulo. Adicionalmente, temperatura e fenómenos associados a transição de fase determinam também as propriedades dieléctricas de vários materiais. Os fenómenos aerotermodinâmicos na superfície do escudo provocam a ablação da camada e induzem correntes no meio. Além disso, efeitos de temperatura afectam também os mecanismos de polarização do material. Esses efeitos modificam consideravelmente as propriedades dieléctricas do TPS.SUMMARY OF THE INVENTION TPS technology is used in high speed space vehicles during atmospheric reentry or in planetary probes. The modeling of aero-thermodynamic phenomena is essential to evaluate ablation in the thermal shield. Chemical reactions involving different enthalpy and phase transition variations make the models more complex. Carbon, e.g. in the form of graphite, is the simplest material used to investigate ablative processes. TPS materials are usually composites reinforced with organic resin. The pyrolysis of the resin produces gases that penetrate through the ablating surface and are injected into the outer flow. The models generally predict a recession of the heat shield by about 2.5 mm, but the affected layer may be considerably larger. Therefore, the resolution of the sensors to estimate the thickness of the recessive layer should be at least 1 mm. Relative permittivity characterizes the ability of a material to accumulate charge, and the electrical susceptibility is a measure of the ease of the medium to polarize in response to electric fields. When an electric field is applied, the potential energy of the aligned orientations in favor of the field is reduced while the energy of the orientations aligned in opposition to the field increases. Phase transitions usually lead to discontinuities in the permittivity and conductivity of refractory materials; this effect is particularly visible at low frequencies where free energy, molecular dynamics and interface phenomena play an important role. For this reason, frequencies in the ELF (Very Low Frequency) and Very Low Frequency (VLF) are selected. Relative permittivity is defined as the ratio of the amount of electrical energy stored in a material by applying a voltage to the energy stored in a vacuum; in the same way, can be seen as the ratio of the capacitance of a capacitor using such a dielectric material and the capacitance of an equal capacitor using vacuum as a dielectric. The permitivity can be a function of multiple parameters, where the most important are the composition of the medium and the frequency of the stimulus. Additionally, temperature and phenomena associated with phase transition also determine the dielectric properties of various materials. The aero-thermodynamic phenomena on the surface of the shield cause ablation of the layer and induce currents in the medium. In addition, temperature effects also affect the polarization mechanisms of the material. These effects considerably modify the dielectric properties of TPS.

Em espectroscopia dieléctrica, as contribuições dependentes da frequência para a resposta dieléctrica, principalmente a baixas frequências, podem ser originadas devido a acumulação de carga. Este efeito é conhecido como polarização de Maxwell-Wagner e ocorre tanto na camada dieléctrica da fronteira interior, à escala mesoscópica, como no exterior da interface eléctrodo-meio, à escala macroscópica. Em meios heterogéneos, podem formar-se camadas eléctricas duplas na superfície. Uma dupla camada resulta da atracção de iões carregados opostamente numa superfície. Os efeitos contra-ião ocorrem também na superfície ou vizinhança de TPS. Estes efeitos são preponderantes a baixas frequências, em meios com perdas elevadas, quando ocorre ablação e o escudo térmico está envolvido em plasma. As propriedades dieléctricas dependem não só do campo eléctrico instantâneo, mas também da evolução deste no passado, devido a histerese. Nos sistemas naturais, histerese está geralmente associada a modificações termodinâmicas irreversíveis. Modelos analíticos e numéricos são úteis para auxiliar a calibração do instrumento. Por outro lado, o problema inverso pode ser resolvido de forma simples, para determinar as propriedades dieléctricas que melhor se adequam à distribuição de potencial medido. Quando a aproximação electrostática é aplicável, e.g. na gama de frequências ELF-VLF, a equação de Poisson pode ser usada para calcular a distribuição de potencial eléctrico. A arquitectura do sensor compreende módulos analógico, digital e de software. 0 módulo analógico inclui geração de formas de onda na gama ELF-VLF. A forma de onda e o sinal modificado associado são injectados no meio através de um par de transmissores, formando um dipolo eléctrico. 0 módulo digital inclui o sistema de aquisição de dados, executando os comandos entre os módulos analógico e de software, sendo utilizado para processamento de sinal bem como análise e transmissão de dados. 0 processamento de sinal pode ser incluído no sensor ou realizado posteriormente. 0 algoritmo numérico básico utilizado para auxiliar a análise é a tradicional transformada rápida de Fourier (FFT) combinada com técnicas de filtragem. Técnicas no domínio temporal, como por exemplo o algoritmo de ajuste de onda sinusoidal (sine-fitting), podem também ser utilizadas. Para a técnica MI, onde ambos os sinais de transmissão e recepção podem ser medidos, pode ser utilizado um algoritmo sine-fitting de sete parâmetros, que calcula a amplitude, fase e componente DC dos dois sinais bem como a frequência comum. A selecção da arquitectura dos eléctrodos deve ter em consideração vários requisitos, por vezes concorrentes. 0 tamanho dos eléctrodos deve ser definido de acordo com a sensibilidade do sensor; numa primeira abordagem, a sensibilidade com a profundidade é similar à distância de separação entre eléctrodos, por exemplo dos transmissores. Os eléctrodos podem ser fixos à parte traseira do escudo por meio de cola epóxi com boas propriedades dieléctricas. Sem perda de generalidade, a Figura 2 mostra a localização dos eléctrodos de um sensor MI num escudo de uma sonda de reentrada. A cablagem é importante para assegurar a optimização do desempenho dos eléctrodos, nomeadamente minimizando capacitâncias parasita indesejadas e efeito de antena. A avaliação do desempenho e precisão dos instrumentos envolve um procedimento com várias etapas, visando a calibração dos sensores. Depois, é preciso determinar o desempenho do sensor em vácuo e quando o sensor está fixo ao TPS. A selecção dos eléctrodos é importante para não só estimar condições de radiação de dipolo mas também definir sensibilidade do sensor. De forma a oferecer resultados relevantes, a calibração envolve quatro passos: (i) conversão dos parâmetros eléctricos medidos no ar ou em vácuo em parâmetros físicos; (ii) medição das propriedades dieléctricas num meio homogéneo; (iii) avaliação dos efeitos de temperatura e ablativos nas propriedades dieléctricas do TPS; e (iv) quantificação da recessão do escudo.In dielectric spectroscopy, the frequency-dependent contributions to the dielectric response, especially at low frequencies, may be due to the accumulation of charge. This effect is known as Maxwell-Wagner polarization and occurs both in the dielectric layer of the inner boundary at the mesoscopic scale and outside the middle-electrode interface at the macroscopic scale. In heterogenous media, double electrical layers may form on the surface. A double layer results from the attraction of oppositely charged ions to a surface. The counterion effects also occur on the surface or neighborhood of TPS. These effects are preponderant at low frequencies, in mediums with high losses, when ablation occurs and the thermal shield is involved in plasma. The dielectric properties depend not only on the instantaneous electric field, but also on the evolution of the latter in the past due to hysteresis. In natural systems, hysteresis is usually associated with irreversible thermodynamic modifications. Analytical and numerical models are useful for assisting instrument calibration. On the other hand, the inverse problem can be solved in a simple way to determine the dielectric properties that best fit the measured potential distribution. When the electrostatic approach is applicable, e.g. in the ELF-VLF frequency range, the Poisson equation can be used to calculate the electric potential distribution. The sensor architecture comprises analog, digital and software modules. The analog module includes generation of waveforms in the ELF-VLF range. The waveform and the associated modified signal are injected into the medium through a pair of transmitters, forming an electrical dipole. The digital module includes the data acquisition system, executing the commands between the analog and software modules, being used for signal processing as well as analysis and data transmission. The signal processing may be included in the sensor or performed later. The basic numerical algorithm used to aid the analysis is the traditional fast Fourier transform (FFT) combined with filtering techniques. Time-domain techniques, such as the sine-fitting algorithm, can also be used. For the MI technique, where both transmit and receive signals can be measured, a seven-parameter sine-fitting algorithm can be used, which calculates the amplitude, phase and DC component of the two signals as well as the common frequency. The selection of the electrode architecture must take into account a number of competing requirements. The electrode size must be set according to the sensitivity of the sensor; in a first approach, the depth sensitivity is similar to the separation distance between electrodes, for example the transmitters. The electrodes can be fixed to the back of the shell by means of epoxy glue with good dielectric properties. Without loss of generality, Figure 2 shows the location of the electrodes of an MI sensor on a shield of a re-entry probe. Cabling is important to ensure optimal performance of the electrodes, in particular by minimizing unwanted parasitic capacitances and antenna effect. The evaluation of instrument performance and accuracy involves a multi-step procedure for the calibration of the sensors. Then, it is necessary to determine the performance of the sensor in vacuum and when the sensor is fixed to the TPS. The selection of the electrodes is important not only to estimate dipole radiation conditions but also to define sensor sensitivity. In order to provide relevant results, calibration involves four steps: (i) conversion of electrical parameters measured in air or in vacuum into physical parameters; (ii) measuring the dielectric properties in a homogeneous medium; (iii) evaluation of the effects of temperature and ablatives on the dielectric properties of TPS; and (iv) quantification of the recession of the escudo.

De acordo com medições realizadas com o presente sistema, campos magnéticos e eléctricos DC externos não influenciam de forma significativo a sensibilidade e precisão do sistema. A sensibilidade do sensor varia em função da espessura do escudo e da distância entre os eléctrodos. A precisão do sensor varia não só com as propriedades do meio mas é também função da distância entre os eléctrodos e da frequência do estimulo. 0 ambiente exterior, nomeadamente a densidade e temperatura do plasma, podem também afectar o desempenho do sensor. 0 sistema divulgado nesta invenção contribui para monitorizar o processo ablativo que ocorre em naves espaciais, nomeadamente em veículos tripulados ou sondas de reentrada. Para além de auxiliar a monitorização das variações de espessura do escudo, este sensor eléctrico pode ser útil para investigar a interacção entre o material ablativo e o ambiente circundante, nomeadamente o escoamento hipersónico.According to measurements performed with the present system, external DC electric and magnetic fields do not significantly influence the sensitivity and accuracy of the system. The sensitivity of the sensor varies depending on the thickness of the shield and the distance between the electrodes. The accuracy of the sensor varies not only with the properties of the medium but is also a function of the distance between the electrodes and the frequency of the stimulus. The external environment, namely plasma density and temperature, may also affect the performance of the sensor. The system disclosed in this invention contributes to monitoring the ablative process occurring in spacecraft, in particular in manned vehicles or re-entry probes. In addition to assisting the monitoring of thickness variations of the shield, this electric sensor may be useful to investigate the interaction between the ablative material and the surrounding environment, namely the hypersonic flow.

Descrição Pormenorizada da Invenção 0 TPS ablativo é utilizado em naves espaciais de reentrada em regime hipersónico. É necessário modelar os processos aerotermodinâmicos para estimar a taxa de recessão da camada frontal. Os modelos analíticos e numéricos envolvem normalmente dinâmica de fluídos e transferência de calor bem como processos químicos/cinéticos associados à composição tanto do escudo como do ambiente circundante. Ablação termoquímica é o modelo mais geralmente aplicado. Reacções químicas envolvendo diferentes entalpias e mudanças de fase ocorrem na parede do escudo. Carbono e compostos baseados em carbono são os materiais mais simples e frequentemente utilizados para estudar processos ablativos. Na atmosfera terrestre a ablação de materiais carbonáceos produz principalmente óxidos e nitretos de carbono. Oxidação, nitrificação e sublimação são processos comuns que ocorrem no escudo frontal. Materiais de TPS não carbonizáveis num ambiente de aquecimento hipersónico, nomeadamente carbono-carbono e silica, perdem massa apenas por ablação e fusão. A avaliação cinética da reacção envolve vários processos, nomeadamente de adsorção e dessorção, e mecanismos de Eley-Rideal e de Langmuir-Hinshelwood. A maioria dos modelos permanece muito rudimentar, pelo que medições como aquelas aqui propostas são uma mais valia para ajudar a refinar modelos aerotermodinâmicos.Detailed Description of the Invention Ablative TPS is used in hypersonic reentry spacecraft. It is necessary to model the air-thermodynamic processes to estimate the rate of recession of the frontal layer. Analytical and numerical models typically involve fluid dynamics and heat transfer as well as chemical / kinetic processes associated with the composition of both the shell and the surrounding environment. Thermochemical ablation is the most commonly applied model. Chemical reactions involving different enthalpies and phase changes occur in the shell wall. Carbon and carbon-based compounds are the simplest and most frequently used materials for studying ablative processes. In the terrestrial atmosphere the ablation of carbonaceous materials mainly produces carbon oxides and nitrides. Oxidation, nitrification and sublimation are common processes that occur in the frontal shield. Non-carbonisable TPS materials in a hypersonic heating environment, namely carbon-carbon and silica, lose mass only by ablation and melting. The kinetic evaluation of the reaction involves various processes, namely adsorption and desorption, and Eley-Rideal and Langmuir-Hinshelwood mechanisms. Most of the models remain very rudimentary, so measurements like those proposed here are an added value to help refine aero-thermodynamic models.

Os modelos cinéticos incluem frequentemente ionização, dissociação, relaxação vibracional, acoplamento vibracional-dissociação e reacções de troca. Para avaliação das propriedades de transporte, as equações químicas da cinética de vibração, juntamente com as equações de conservação, devem ser resolvidas segundo a aproximação Navier-Stokes de um gás viscoso termicamente condutor. Materiais TPS ablativos são frequentemente compósitos à base de resina orgânica. Esses materiais podem acomodar altas taxas de aquecimento e cargas de calor através de diferentes mecanismos. Pirólise de resina produz gases que sofrem percolação em direcção à superfície aquecida e são injectados no fluxo externo. Estes dois processos participam na protecção térmica. As reacções de pirólise são geralmente endotérmicas e, assim, absorvem a carga calorífica. Além disso, os gases de pirólise são aquecidos à medida que se infiltram através dos poros do material, transferindo alguma energia do estado sólido para o gasoso e para o fluxo externo. Normalmente é realizado um cálculo que combina convecção, radiação e ablação ao longo de uma variedade de trajectórias de reentrada. Como mencionado acima, a recessão prevista, até uma velocidade de 6 km s_1, é cerca de 2,5 mm, mas a profundidade até à qual as propriedades do escudo são afectadas pode ser significativamente maior. A permitividade caracteriza a capacidade de um material em armazenar carga. Vários mecanismos de polarização podem ocorrer em materiais dieléctricos, nomeadamente electrónicos, de orientação/dipolares, iónicos, e de polarização interfacial. Polarização electrónica e atómica ocorre a nivel atómico. Mecanismos de polarização dipolar são gerados por moléculas com momentos dipolares permanentes, e ocorrem na banda de infravermelhos e a frequências mais baixas. Os mecanismos de polarização interfacial são importantes a muito baixas frequências, surgindo quando são envolvidas múltiplas fases ou interfaces. Uma vez que as propriedades dieléctricas dos materiais são geradas por dipolos permanentes ou induzidos, os modos de rotação e vibração desempenham um papel fundamental na polarização do meio. Transições de fase levam normalmente a descontinuidades na permitividade e condutividade dos materiais; água nos estados sólido, liquido e gasoso representa um exemplo claro em que a transição de fase conduz à descontinuidade da permitividade e da condutividade eléctrica. Este efeito é particularmente notório a baixas frequências, onde os fenómenos de interface e dinâmica molecular desempenham um papel importante. A selecção de frequência é fundamentada de acordo com vários efeitos concorrentes: (i) em teoria, a permitividade decresce com o aumento de frequência, logo frequências mais baixas oferecem melhor sensibilidade; (ii) o ruido do sinal diminui com o aumento de frequência, pelo que frequências mais altas são preferíveis; (iii) interferência das linhas de energia eléctrica aumenta na gama ELF, principalmente abaixo de 100 Hz; e (iv) a sequência de operações durante reentrada é uma função do tempo necessário para cada medição, tornando preferíveis frequências mais altas. A banda apropriada da frequência de operação resulta do compromisso destes factores antagónicos.Kinetic models often include ionization, dissociation, vibrational relaxation, vibrational coupling-dissociation, and exchange reactions. For the evaluation of the transport properties, the chemical equations of the vibration kinetics together with the conservation equations must be solved according to the Navier-Stokes approximation of a thermally conductive viscous gas. Ablative TPS materials are often composites based on organic resin. These materials can accommodate high heating rates and heat loads through different mechanisms. Resin pyrolysis produces gases that undergo percolation towards the heated surface and are injected into the external flow. These two processes participate in thermal protection. The pyrolysis reactions are generally endothermic and thus absorb the heat load. In addition, the pyrolysis gases are heated as they infiltrate through the pores of the material, transferring some energy from the solid state to the gaseous and the external flow. A calculation is usually performed combining convection, radiation and ablation along a variety of re-entry paths. As mentioned above, the predicted recession, up to a velocity of 6 km s -1, is about 2.5 mm, but the depth to which the shield properties are affected may be significantly greater. The permittivity characterizes the ability of a material to store charge. Several polarization mechanisms can occur in dielectric materials, namely electronic, orientation / dipole, ionic, and interfacial polarization. Electronic and atomic polarization occurs at the atomic level. Dipole polarization mechanisms are generated by molecules with permanent dipole moments, occurring in the infrared band and at lower frequencies. The mechanisms of interfacial polarization are important at very low frequencies, arising when multiple phases or interfaces are involved. Since the dielectric properties of the materials are generated by permanent or induced dipoles, the modes of rotation and vibration play a key role in the polarization of the medium. Phase transitions usually lead to discontinuities in the permittivity and conductivity of the materials; water in the solid, liquid and gaseous states represents a clear example in which the phase transition leads to the discontinuity of the permittivity and the electrical conductivity. This effect is particularly noticeable at low frequencies, where interface phenomena and molecular dynamics play an important role. Frequency selection is based on several competing effects: (i) in theory, the permittivity decreases with increasing frequency, so lower frequencies offer better sensitivity; (ii) the signal noise decreases with increasing frequency, whereby higher frequencies are preferred; (iii) interference from electric power lines increases in the ELF range, especially below 100 Hz; and (iv) the sequence of operations during re-entry is a function of the time required for each measurement, making higher frequencies preferable. The appropriate bandwidth of the operating frequency results from the compromise of these antagonistic factors.

As Equações (01) e (02) são válidas quando o meio é homogéneo, mas não estritamente aplicáveis à arquitectura presente porque os eléctrodos são ligados à superfície do escudo e o TPS é heterogéneo. Além disso, os processos ablativos que ocorrem durante a entrada na atmosfera alteram as propriedades dieléctricas do material do escudo frontal. Por um lado, fenómenos aerotermodinâmicos na superfície do escudo ionizam a estrutura e induzem correntes no material. Por outro lado, a temperatura também afecta consideravelmente os mecanismos de polarização. Embora sugerindo uma variabilidade muito mais forte das propriedades dieléctricas, a manifestação de processos termodinâmicos e de plasma melhora a resposta do TPS à variabilidade eléctrica, o que é vantajoso para análise dinâmica de escudos a partir de medidas dos sensores eléctricos. A nível microscópico, as propriedades eléctricas mais básicas dos materiais são definidas através de dois parâmetros físicos: permitividade e condutividade. A razão entre estes dois parâmetros resulta no tempo de relaxação e indica o tempo de propagação do excesso de portadores de carga livres nos materiais. Em espectroscopia dieléctrica, a acumulação de carga (efeito de Maxwell-Wagner), contribui para a resposta dieléctrica, principalmente a baixas frequências. O efeito de Maxwell-Wagner está relacionado com a carga de interface que ocorre em materiais electricamente heterogéneos, principalmente na gama ELF-VLF, induzindo grande permitividade eléctrica aparente. Para algumas misturas as camadas eléctricas duplas também existem na superfície de um dos componentes. Uma camada dupla resulta da atracção de iões carregados opostamente por uma superfície carregada. Este mecanismo é totalmente diferente do efeito Maxwell-Wagner; está relacionado com fenómenos de interface em vez de propriedades volumétricas. Em camadas eléctricas duplas o fenómeno de contra-ião também é um mecanismo importante para caracterizar as propriedades dieléctricas a baixas frequências. Uma camada eléctrica dupla é a estrutura que surge na superfície de um objecto exposto a um fluido. As camadas eléctricas duplas são análogas à camada dupla que surge em plasmas, consistindo em duas camadas duplas dispostas paralelamente com cargas eléctricas opostas. Existem diversos mecanismos de formação de camada dupla, entre eles a diferença de potencial, força ponderomotriz, contacto entre plasmas diferentes e expansão de plasma ao longo de linhas de campo magnético. Um contra-ião é um ião que acompanha uma espécie iónica para manter a neutralidade eléctrica, por exemplo um ião com uma carga oposta à de uma substância à qual está associado. Este efeito é preponderante a baixa frequência em meios com grandes perdas, tal como quando ocorre ablação num TPS envolto em plasma. A camada eléctrica dupla é frequentemente modelada a partir de partículas carregadas com uma camada imóvel de contra-iões absorvidos e gradiente de concentração de iões numa camada difusora. Um modelo para calcular o gradiente da potência poderá ser derivado através da lei de Fick. Histerese pode ocorrer tanto em materiais ferromagnéticos como em ferroeléctricos, em função do seu estado actual ou passado. Em alguns casos, a histerese está relacionada com alterações termodinâmicas irreversíveis.Equations (01) and (02) are valid when the medium is homogeneous but not strictly applicable to the present architecture because the electrodes are attached to the shell surface and the TPS is heterogeneous. In addition, the ablative processes occurring during atmospheric entry alter the dielectric properties of the front shield material. On the one hand, aerothermodynamic phenomena on the shell surface ionize the structure and induce currents in the material. On the other hand, the temperature also considerably affects the polarization mechanisms. Although suggesting a much stronger variability of the dielectric properties, the manifestation of thermodynamic and plasma processes improves the TPS response to the electrical variability, which is advantageous for dynamic shielding analysis from electrical sensor measurements. At the microscopic level, the most basic electrical properties of the materials are defined through two physical parameters: permittivity and conductivity. The ratio between these two parameters results in the relaxation time and indicates the propagation time of the excess free charge carriers in the materials. In dielectric spectroscopy, charge accumulation (Maxwell-Wagner effect) contributes to the dielectric response, especially at low frequencies. The effect of Maxwell-Wagner is related to the interfacial charge that occurs in electrically heterogeneous materials, mainly in the ELF-VLF range, inducing great electrical permitivity apparent. For some mixtures the double electric layers also exist on the surface of one of the components. A double layer results from the attraction of charged ions oppositely by a charged surface. This mechanism is totally different from the Maxwell-Wagner effect; is related to interface phenomena rather than to volumetric properties. In double electric layers the counterion phenomenon is also an important mechanism to characterize dielectric properties at low frequencies. A double electric layer is the structure that appears on the surface of an object exposed to a fluid. The double electric layers are analogous to the double layer that arises in plasmas, consisting of two double layers arranged parallel to opposite electric charges. There are several mechanisms of double layer formation, among them the potential difference, ponderomotor force, contact between different plasmas and plasma expansion along magnetic field lines. A counterion is an ion which accompanies an ionic species to maintain electrical neutrality, for example an ion with a charge opposite that of a substance to which it is associated. This effect is preponderant at low frequency in mediums with high losses, such as when ablation occurs in a plasma-enveloped TPS. The double electric layer is often modeled from charged particles with a still layer of absorbed counterions and ion concentration gradient in a diffuser layer. A model for calculating the power gradient may be derived through Fick's law. Hysteresis can occur in both ferromagnetic and ferroelectric materials, depending on their current or past state. In some cases, hysteresis is related to irreversible thermodynamic changes.

Modelos analíticos e numéricos são úteis para auxiliar a calibração de instrumentação. Para distribuições simples, pode recorrer-se a soluções analíticas através do método de carga-imagem para estimar geometria simples de eléctrodos.Analytical and numerical models are useful to aid instrumentation calibration. For simple distributions, analytical solutions can be used by the charge-image method to estimate simple electrode geometry.

No entanto, métodos numéricos são necessários para aferir configurações arbitrárias em meios heterogéneos. 0 problema inverso pode ser resolvido para determinar caracteristicas dieléctricas que melhor se adequam à distribuição de potencial medida. No caso de a aproximação electroestática ser aplicável, por exemplo quando a frequência dos estímulos é muito baixa e as correntes podem ser negligenciadas, a equação de Poisson pode ser utilizada para simular a distribuição de potencial eléctrico,However, numerical methods are necessary to gauge arbitrary configurations in heterogeneous environments. The inverse problem can be solved to determine dielectric characteristics that best suit the potential distribution of potential. In case the electrostatic approximation is applicable, for example when the frequency of the stimuli is very low and the currents can be neglected, the Poisson equation can be used to simulate the electric potential distribution,

(03) em que r é a variável espacial, V é o potencial eléctrico e pé a densidade de carga.(03) where r is the spatial variable, V is the electric potential and foot the charge density.

Frequentemente, as perdas no meio são tidas em conta e a constante dieléctrica relativa é escrita na forma complexa ( er = e'r + í ε" ) . Condições de fronteira de Dirichlet são impostas nos transmissores. O problema inverso pode ser resolvido para determinar as propriedades dieléctricas que melhor se adequam à distribuição do potencial medido. Algoritmos que podem ser aplicados para resolver a Equação (3) de forma iterativa para determinar as gamas de amplitude e fase que melhor se adequam aos dados a medir pelo sensor. Numa primeira aproximação, o plasma produzido na superfície de protecção tem condutividade infinita e assumem-se propriedades dieléctricas do meio independentes da temperatura. Isto equivale a considerar um potencial flutuante na superfície do TPS. Esta simplificação é muito vantajosa porque assim o processo ablativo pode ser desprezado no modelo, fornecendo soluções práticas. Os efeitos mencionados são importantes, por exemplo, quando os eléctrodos estão agarrados na superfície. Os eléctrodos são presos, por exemplo colados, à superfície interna do TPS. Esta é a melhor forma de ligar o sensor ao TPS dado que é uma solução não-invasiva. Uma solução não-invasiva é preferível porque não põe em causa a integridade estrutural do TPS e o sensor é mais fácil de aplicar no escudo térmico. Caso necessário, o sensor pode ser envolvido numa película fina para o proteger termicamente. Por exemplo, aerogel de sílica é adequado porque a sua condutividade eléctrica, bem como térmica, é muito baixa. A arquitectura do sensor é constituída pelo módulo analógico, digital e software (Figura 3) . 0 módulo analógico implementa as seguintes funções fundamentais: (i) conversão de alimentação DC/DC, (ii) gerador de sinal e (iii) condicionamento de sinal necessário para ligar a electrónica aos eléctrodos. 0 módulo analógico inclui um gerador de ondas ELF-VLF. 0 passo seguinte é a introdução de um desvio de fase de 1802 em relação à forma de onda original (inversor de sinal). Os sinais alterado e original são injectados no meio através de dois transmissores (Txl e Tx2), criando um dipolo eléctrico. 0 sinal diferencial é medido em dois receptores (Rxl e Rx2), sendo integrado um filtro passa-alto para remover as componentes DC e quase-estática, melhorando o desempenho do sensor. 0 ruído induzido pela radiação da rede de alimentação eléctrica é atenuado com o auxílio de condensadores colocados perto dos circuitos integrados, para minimizar interferência. 0 sistema pode ser implementado utilizando cabos coaxiais ou triaxiais. Os cabos coaxiais são utilizados para receber os sinais dos receptores e os triaxiais para enviar os sinais aos transmissores. É recomendado utilizar cabos triaxiais nos casos em que os eléctrodos transmissores sejam constituídos por várias camadas, reduzindo assim capacitâncias parasita induzidas pela blindagem. 0 módulo digital é composto pela unidade de aquisição de sinal e também pela de análise e transmissão de dados. A interacção entre este módulo e o utilizador é feita através de uma interface gráfica. A unidade de aquisição de dados converte sinais analógicos em sinais digitais, incluindo funções de controlo, conversores analógico-digital (ADC) e possui também um microprocessador. 0 processamento de sinal pode ser feito no sensor ou externamente. 0 módulo responsável pelo software pode ser usado para transmitir dados processados ou por processar. 0 algoritmo utilizado para fazer a análise de dados, ou seja, para determinar a amplitude e fase do estimulo, é a tradicional FFT em conjunto com técnicas de cálculo de valores médios. Este algoritmo, baseado em análise do domínio espectral para calcular as amplitudes de corrente e tensão e as fases relativas, emprega a técnica mais utilizada em processamento de sinal. Contudo, existem métodos mais robustos que podem ser utilizados para aumentar a precisão das medições. São métodos que podem ser mais adequados e produzem melhores resultados, mas requerem mais recursos computacionais. Um exemplo disso é o algoritmo de ajuste de onda sinusoidal. Trata-se de um algoritmo que se aplica no domínio temporal e calcula os parâmetros de uma onda sinusoidal (amplitude, fase e frequência) . Ao contrário da FFT, os algoritmos de ajuste de onda sinusoidal são imunes ao efeito de spectral leakage e ao ruído, porque funcionam como filtros de banda estreita, ajustando a frequência da onda sinusoidal e ignorando outras perturbações (ruído de harmónicas). Os algoritmos de ajuste de onda sinusoidal podem também ser utilizados em situações em que o ADC está saturado, bastando para tal ignorar a parte saturada. Para medições da impedância, pode recorrer-se ao algoritmo de ajuste de seno com sete parâmetros para calcular a amplitude, fase e frequência da onda sinusoidal e também a componente DC, reduzindo a incerteza dos parâmetros obtidos. Este algoritmo pode ser implementado da seguinte maneira: (i) determinar a frequência do sinal do canal com maior amplitude através da interpolação do método da transformada discreta de Fourier; (ii) calcular a amplitude e fase dos sinais; (iii) determinar o vector dos sete parâmetros recorrendo ao método dos mínimos quadrados; (iv) obter a variação de frequência para calcular as correcções de frequência; e (v) se a correcção de frequência estiver acima de uma condição limite, repetir o ciclo até o algoritmo convergir. A selecção da arquitectura dos eléctrodos deve ter em conta diversos requisitos, por vezes concorrentes. Em primeiro lugar, os eléctrodos devem ser simples, leves e robustos. Segundo, o tamanho dos eléctrodos deve ser ajustado de acordo com a sensibilidade do sensor; numa primeira aproximação, o alcance de espessura do sensor é proporcional à distância entre os eléctrodos. Terceiro, uma configuração linear apresenta a distribuição mais indicada para os eléctrodos, mas com simetria axial torna-se mais fácil de modelar. Quarto, os eléctrodos com capacitâncias maiores estão mais imunes a interferência de cablagem, mas despendem mais energia. Por fim, os eléctrodos podem ser constituídos por uma ou mais camadas de materiais com elevada condutividade. Os eléctrodos devem permitir uma fixação efectiva à superfície interior do TPS, podendo ser fixados ao escudo térmico utilizando cola epóxi com boas propriedades dieléctricas (por exemplo, Araldite® 2004 qualificada para aplicações espaciais: resina AV138M e endurecedor HV998). A Figura 4 apresenta a configuração de eléctrodos mais recomendável. Cada eléctrodo é composto por uma ou mais camadas e um material condutivo pouco espesso. No caso de ter apenas uma camada, o eléctrodo pode ser fixado ou depositado na superfície do escudo térmico. Os eléctrodos podem ser pintados directamente na superfície do escudo com uma tinta líquida condutiva (por exemplo, solução aquosa de prata coloidal da Pelco®, com 60% de prata). O processo de fabrico consiste em sobrepor uma máscara com a forma dos eléctrodos sobre a superfície e depois pintar com spray ou um pincel. A aplicação da tinta é muito simples e algumas soluções secam à temperatura ambiente. Outra opção é produzir os eléctrodos recorrendo a tecnologia de filmes finos, e.g. deposição física ou química de vapor. As configurações multicamada também podem ser fabricadas através destas técnicas: uma sanduíche de duas camadas condutoras com um material dieléctrico no meio. Esta solução assegura uma redução do ruído, principalmente no lado dos transmissores, porque ambas as camadas estão polarizadas ao mesmo potencial, reduzindo dessa forma o acoplamento com os cabos. A cablagem é importante para assegurar a optimização do desempenho dos eléctrodos, nomeadamente na minimização de capacitâncias parasitas indesejáveis e efeitos de antena. As soluções mais comuns para transporte de sinais electromagnéticos de baixa frequência envolvem a utilização de cabos coaxiais ou triaxiais. Ao contrário dos coaxiais, os cabos triaxiais possuem uma camada adicional de isolamento e uma segunda bainha condutora de blindagem para fornecer maior largura de banda e rejeição de interferência externa. Cabos triaxiais podem ser usados em inúmeras aplicações coaxiais, oferecendo melhor blindagem para cabos longos. A bainha condutora exterior envolve o cabo coaxial interior e acrescenta protecção electromagnética adicional. O núcleo condutor e a blindagem interior são mantidos ao mesmo potencial, pelo que, para efeitos práticos, a corrente de fuga entre os mesmos é nula. Em vez disso, as correntes de fuga ocorrem entre as blindagens interior e exterior. Uma vez que o núcleo condutor é ligado ao eléctrodo relevante (aquele a ser medido), soluções triaxiais são adequadas à invenção apresentada; a blindagem interior assegura que a radiação do cabo e capacitâncias espúrias não afectam as medições. A avaliação de desempenho e precisão do instrumento envolve um procedimento com múltiplas fases de calibração. Em primeiro lugar, é necessário avaliar as caracteristicas eléctricas, nomeadamente do módulo analógico. Resistências e condensadores de referência são usados em substituição dos eléctrodos e cablagem, para caracterizar o desempenho dos circuitos analógicos. Seguidamente, é necessário determinar o desempenho do sensor em vácuo e quando fisicamente ligado ao TPS. Finalmente, o sensor tem de ser calibrado em condições representativas de ablação. A caracterização do módulo analógico requer a medição da amplitude e fase entre os sinais transmitidos e recebidos, validação das funções de transferência para estabelecimento de variações com a frequência, e avaliação de capacitâncias parasita introduzidas pelos fios de ligação. A última fase é pertinente quando se usam cabos longos na ligação entre a electrónica analógica e os eléctrodos; cablagem triaxial é recomendada nestas situações. A selecção dos eléctrodos é importante não só na definição da sensibilidade do sensor mas também na estimação das condições de radiação dipolar. Idealmente, a unidade digital não modifica a amplitude e fase do sinal. Após a caracterização de desempenho da electrónica é importante adquirir medições em meios bem conhecidos. Inicialmente, os eléctrodos são fixados a uma pilha de diversas camadas de cortiça, cada uma com espessura de ~1 mm (e.g. compósito baseado em cortiça frequentemente usado na investigação de processos ablativos e protecção de veículos de reentrada). 0 número de camadas é variável de forma a determinar a sensibilidade do sensor em função da espessura total da pilha de cortiça (Figura 5). Num passo subsequente, a pilha de cortiça é queimada de forma a avaliar os processos ablativos e o efeito da temperatura nas propriedades eléctricas do meio (Figura 6). Finalmente, um meio mais representativo (e.g. ablador fenólico de carbono impregnado usado pela NASA ou um equivalente usado pela ESA, conhecido por ASTERM STD) deve ser usado para fornecer medições mais fiáveis em condições representativas, preferencialmente considerando processos ablativos conhecidos. A análise de dados requer uma correcta calibração do instrumento. A exploração de dados científicos depende de uma precisa calibração dos sinais eléctricos, nomeadamente 0 relacionamento entre variação de amplitude e fase com os parâmetros físicos, tais como espessura do meio e temperatura. A calibração dos dados também necessita da conversão dos sinais eléctricos em parâmetros físicos, i.e., permitividade e condutividade. Para extrair resultados representativos, a calibração assenta em quatro passos chave: (i) conversão dos parâmetros eléctricos em parâmetros físicos em vácuo que será usada como referência; (ii) medição das propriedades dieléctricas em meios homogéneos para comparar com as condições de vácuo; (iii) avaliação da temperatura, pirólise e efeitos de percolação nas propriedades dieléctricas do TPS; e (iv) estimação da espessura da camada recessiva. A Figura 7 demonstra a precisão do sensor para P50 com profundidade até 50 mm. A barra de erro não excede a diferença entre medições consecutivas, i.e., não existe sobreposição entre barras de erro consecutivas, calculadas para espessuras com passo de 1 mm. De facto, para este material e espessura, a sensibilidade do instrumento pode ser melhor do que 0,5 mm. De acordo com medições realizadas com o sensor, campos eléctricos e magnéticos DC têm um impacto marginal na sensibilidade e precisão do sensor; em condições extremas (E-500 V m_1 ou B~10 mT) , pequenas variações (E: 0,017 dB e 0,022; B: 0,015 dB e 0,12) foram observadas na fase e, principalmente, na amplitude do sinal do sensor, mas não se espera que estas condições sejam encontradas em aplicações reais na ionosfera e magnetosfera de planetas e no espaço interplanetário. Por exemplo, os campos eléctrico e magnético DC à superfície da Terra são -100 V m_1 e -50 μΤ; na ionosfera e magnetosfera esses valores são muito inferiores. Assim, a influência de campos eléctricos e magnéticos DC podem ser negligenciados para a maioria das aplicações. A sensibilidade do sensor é uma função da distância entre eléctrodos e a superfície em ablação. A precisão do sensor varia com as propriedades do meio, mas é também uma função da frequência e espessura. O ambiente exterior também pode afectar o desempenho do sensor. Por exemplo, a formação de uma camada de plasma na superfície do meio ablativo afecta as medições do sensor. A Figura 8 mostra a variação do sinal medido pelo sensor, em função da espessura, quando uma superfície equipotencial é aplicada na superfície frontal do TPS. Os gráficos apresentam a amplitude e fase em função da espessura de uma simples camada de P50, comparativamente com uma camada de P50 e uma superfície equipotencial no topo. O modelo numérico e os resultados experimentais mostram que a presença de uma camada condutora na superfície do escudo térmico modifica a resposta do sensor. Este resultado é particularmente importante, dado que o plasma pode ter um efeito semelhante na superfície do escudo térmico. O problema é substancialmente mais complexo quando, além da camada equipotencial, ocorre também a recessão da superfície. Na Figura 8 confirma-se que a variação da amplitude e fase não é negligenciável quando o escudo térmico é sujeito a uma superfície equipotencial. Como esperado, a diferença reduz-se com o aumento da espessura, e a superfície equipotencial atenua a amplitude do sinal na gama ELF-VLF. As descontinuidades observadas nas medições devem-se à substituição de diversas camadas finas de P50 por uma simples camada de espessura idêntica, confirmando a influência da estratificação do meio e interfaces em medições de MI.Frequently, the losses in the medium are taken into account and the relative dielectric constant is written in complex form (er = e'r + í ε "). Dirichlet boundary conditions are imposed on the transmitters. The inverse problem can be solved to determine the dielectric properties that best suit the distribution of the measured potential. Algorithms that can be applied to solve Equation (3) in an iterative way to determine the range of amplitude and phase that best fit the data to be measured by the sensor. In a first approach, the plasma produced on the protective surface has infinite conductivity and the dielectric properties of the medium are assumed to be temperature independent. This is equivalent to considering a floating potential on the TPS surface. This simplification is very advantageous because thus the ablative process can be neglected in the model, providing practical solutions. The effects mentioned are important, for example, when the electrodes are clinging to the surface. The electrodes are attached, for example bonded, to the inner surface of the TPS. This is the best way to connect the sensor to the TPS since it is a non-invasive solution. A non-invasive solution is preferred because it does not jeopardize the structural integrity of the TPS and the sensor is easier to apply to the heat shield. If necessary, the sensor can be wrapped in a thin film to protect it thermally. For example, silica airgel is suitable because its electrical as well as thermal conductivity is very low. The sensor architecture consists of the analog, digital and software module (Figure 3). The analog module implements the following fundamental functions: (i) DC / DC power conversion, (ii) signal generator, and (iii) signal conditioning necessary to connect the electronics to the electrodes. The analog module includes an ELF-VLF wave generator. The next step is the introduction of a phase shift of 1802 with respect to the original waveform (signal inverter). The altered and original signals are injected into the medium through two transmitters (Txl and Tx2), creating an electric dipole. The differential signal is measured in two receivers (Rxl and Rx2), a high-pass filter is integrated to remove the DC components and quasi-static, improving the performance of the sensor. Radiation induced noise from the mains supply is attenuated with the aid of capacitors placed near the integrated circuits to minimize interference. The system can be implemented using coaxial or triaxial cables. Coaxial cables are used to receive signals from receivers and triaxial to send signals to transmitters. It is recommended to use triaxial cables in cases where the transmitting electrodes are made up of several layers, thus reducing shielding induced parasite capacitances. The digital module is composed of the signal acquisition unit and also of the analysis and data transmission unit. The interaction between this module and the user is done through a graphical interface. The data acquisition unit converts analog signals into digital signals, including control functions, analog-to-digital (ADC) converters and also has a microprocessor. Signal processing can be done on the sensor or externally. The module responsible for the software can be used to transmit processed or unprocessed data. The algorithm used to perform the data analysis, ie to determine the amplitude and phase of the stimulus, is the traditional FFT in conjunction with techniques for calculating mean values. This algorithm, based on spectral domain analysis to calculate current and voltage amplitudes and relative phases, employs the most used technique in signal processing. However, there are more robust methods that can be used to increase the accuracy of measurements. They are methods that may be more suitable and produce better results, but require more computational resources. An example of this is the sinusoidal wave tuning algorithm. It is an algorithm that applies in the temporal domain and calculates the parameters of a sinusoidal wave (amplitude, phase and frequency). Unlike FFT, sinusoidal wave tuning algorithms are immune to the effect of spectral leakage and noise, because they function as narrow band filters, adjusting the frequency of the sinusoidal wave and ignoring other perturbations (harmonic noise). Sine wave adjusting algorithms can also be used in situations where the ADC is saturated by simply ignoring the saturated part. For impedance measurements, the seven-parameter sine adjustment algorithm can be used to calculate the amplitude, phase and frequency of the sinusoidal wave and also the DC component, reducing the uncertainty of the parameters obtained. This algorithm can be implemented as follows: (i) determine the frequency of the channel signal with the greatest amplitude through the interpolation of the discrete Fourier transform method; (ii) calculate the amplitude and phase of the signals; (iii) determine the vector of the seven parameters using the least squares method; (iv) obtaining the frequency variation to calculate the frequency corrections; and (v) if the frequency correction is above a threshold condition, repeat the cycle until the algorithm converges. The selection of the electrode architecture must take into account a number of competing requirements. Firstly, the electrodes should be simple, light and robust. Second, the size of the electrodes should be adjusted according to the sensitivity of the sensor; in a first approximation, the thickness range of the sensor is proportional to the distance between the electrodes. Third, a linear configuration has the most suitable distribution for the electrodes, but with axial symmetry it becomes easier to model. Fourth, electrodes with larger capacitances are more immune to wiring interference, but they expend more energy. Finally, the electrodes may be comprised of one or more layers of materials with high conductivity. The electrodes must allow an effective fixation to the inner surface of the TPS and can be attached to the thermal shield using epoxy glue with good dielectric properties (eg Araldite® 2004 qualified for space applications: AV138M resin and HV998 hardener). Figure 4 shows the most suitable electrode configuration. Each electrode is composed of one or more layers and a thin conductive material. In the case of having only one layer, the electrode can be fixed or deposited on the surface of the heat shield. The electrodes may be painted directly on the surface of the shield with a conductive liquid paint (e.g., Pelco® colloidal silver aqueous solution having 60% silver). The manufacturing process consists of superimposing a mask with the shape of the electrodes on the surface and then spray painting or a brush. The application of the ink is very simple and some solutions dry at room temperature. Another option is to produce the electrodes using thin film technology, e.g. physical or chemical vapor deposition. Multilayer configurations can also be fabricated using these techniques: a two-layer conductive sandwich with a dielectric material in the middle. This solution ensures noise reduction, especially on the side of the transmitters, because both layers are polarized to the same potential, thereby reducing coupling with the cables. Cabling is important to ensure the optimization of electrode performance, particularly in minimizing undesirable parasitic capacitances and antenna effects. The most common solutions for the transport of low frequency electromagnetic signals involve the use of coaxial or triaxial cables. Unlike coaxial cables, the triaxial cables have an additional layer of insulation and a second shielding conductive sheath to provide increased bandwidth and rejection of external interference. Triaxial cables can be used in numerous coaxial applications, offering better shielding for long cables. The outer conductive sheath encloses the inner coaxial cable and adds additional electromagnetic shielding. The conductive core and the inner shield are maintained at the same potential, so for practical purposes the leakage current between them is zero. Instead, leakage currents occur between the inner and outer shields. Since the core is connected to the relevant electrode (the one to be measured), triaxial solutions are suitable for the invention shown; the internal shielding ensures that cable radiation and spurious capacitances do not affect measurements. The instrument's performance and accuracy assessment involves a multi-stage calibration procedure. Firstly, it is necessary to evaluate the electrical characteristics, in particular the analog module. Resistors and reference capacitors are used instead of electrodes and wiring to characterize the performance of analog circuits. It is then necessary to determine the performance of the sensor under vacuum and when physically connected to the TPS. Finally, the sensor has to be calibrated under representative conditions of ablation. The characterization of the analog module requires measurement of the amplitude and phase between the transmitted and received signals, validation of the transfer functions to establish variations with frequency, and evaluation of parasitic capacitances introduced by the connecting wires. The last phase is relevant when long cables are used in the connection between the analog electronics and the electrodes; triaxial wiring is recommended in these situations. The selection of the electrodes is important not only in the definition of the sensitivity of the sensor but also in the estimation of the conditions of dipole radiation. Ideally, the digital unit does not change the amplitude and phase of the signal. After characterizing the performance of electronics it is important to acquire measurements in well known media. Initially, the electrodes are attached to a stack of several layers of cork, each about ~ 1 mm thick (e.g. cork-based composite often used in the investigation of ablative processes and protection of re-entry vehicles). The number of layers is variable in order to determine the sensitivity of the sensor as a function of the total thickness of the cork pile (Figure 5). In a subsequent step, the cork pile is burned in order to evaluate the ablative processes and the effect of temperature on the electrical properties of the medium (Figure 6). Finally, a more representative medium (e.g., impregnated phenolic carbon ablative used by NASA or an equivalent used by ESA, known as ASTERM STD) should be used to provide more reliable measurements under representative conditions, preferably considering known ablative processes. Data analysis requires a correct calibration of the instrument. The exploitation of scientific data depends on a precise calibration of the electrical signals, namely the relationship between amplitude and phase variation with the physical parameters, such as medium thickness and temperature. The calibration of the data also requires the conversion of the electrical signals into physical parameters, i.e., permittivity and conductivity. To extract representative results, calibration relies on four key steps: (i) conversion of electrical parameters into physical parameters in vacuum to be used as reference; (ii) measuring the dielectric properties in homogeneous media to compare with the vacuum conditions; (iii) evaluation of temperature, pyrolysis and percolation effects on the dielectric properties of TPS; and (iv) estimation of the thickness of the recessive layer. Figure 7 demonstrates the accuracy of the sensor for P50 with depth up to 50 mm. The error bar does not exceed the difference between consecutive measurements, i.e., there is no overlap between consecutive error bars, calculated for thicknesses with 1 mm pitch. In fact, for this material and thickness, the sensitivity of the instrument may be better than 0.5 mm. According to measurements taken with the sensor, DC electric and magnetic fields have a marginal impact on sensor sensitivity and accuracy; (E: 0.017 dB and 0.022, B: 0.015 dB and 0.12) were observed in the phase and mainly in the signal amplitude of the sensor, but these conditions are not expected to be found in real applications in the ionosphere and magnetosphere of planets and in interplanetary space. For example, the electric and magnetic DC fields at the Earth's surface are -100 V m_1 and -50 μΤ; in the ionosphere and magnetosphere these values are much lower. Thus, the influence of DC electric and magnetic fields may be neglected for most applications. The sensitivity of the sensor is a function of the distance between the electrodes and the surface in ablation. The accuracy of the sensor varies with the properties of the medium, but is also a function of frequency and thickness. The outdoor environment can also affect the performance of the sensor. For example, formation of a plasma layer on the surface of the ablative environment affects the measurements of the sensor. Figure 8 shows the variation of the signal measured by the sensor, as a function of thickness, when an equipotential surface is applied to the front surface of the TPS. The graphs show the amplitude and phase as a function of the thickness of a single layer of P50, compared to a layer of P50 and an equipotential surface at the top. The numerical model and the experimental results show that the presence of a conductive layer on the surface of the thermal shield modifies the sensor response. This result is particularly important since plasma may have a similar effect on the surface of the heat shield. The problem is substantially more complex when, in addition to the equipotential bonding, surface recession also occurs. In Figure 8 it is confirmed that the amplitude and phase variation is not negligible when the heat shield is subjected to an equipotential surface. As expected, the difference is reduced with increasing thickness, and the equipotential surface attenuates the signal amplitude in the ELF-VLF range. The observed discontinuities in the measurements are due to the substitution of several thin layers of P50 by a single layer of identical thickness, confirming the influence of the stratification of the medium and interfaces in MI measurements.

Esta invenção é particularmente adequada à monitorização de processos ablativos que acorrem no TPS de naves espaciais, nomeadamente veículos tripulados durante a entrada na atmosfera terrestre ou outros ambientes planetários. Adicionalmente, além de auxiliar na monitorização da variação de espessura do escudo térmico, o sensor eléctrico pode usar-se na investigação da interacção entre o material ablativo e o plasma envolvente. 9 de Setembro de 2013This invention is particularly suitable for monitoring the ablative processes occurring in the spacecraft TPS, namely manned vehicles during entry into the Earth's atmosphere or other planetary environments. Additionally, besides helping to monitor the thickness variation of the thermal shield, the electric sensor can be used in the investigation of the interaction between the ablative material and the surrounding plasma. September 9, 2013

Claims (1)

Reivindicações Ia. Um método baseado na técnica de impedância mútua para medição de propriedades dieléctricas, avaliação de interacção radiação-matéria, monitorização de processos de ablação e estimação de variação de espessura do escudo de sistemas de protecção térmica de veículos espaciais, sendo o método caracterizado por: selecção de um conjunto de eléctrodos -designado matriz de eléctrodos - para definir padrões de radiação de dipolo eléctrico oscilante; escolha de características de um sinal eléctrico - designado estímulo -o qual é injectado no escudo do sistema de protecção térmica; selecção de módulos analógico e digital para aquisição, acondicionamento e processamento do sinal injectado; definição de módulo de software para controlar os módulos analógico e digital, para adquirir e processar o estímulo eléctrico, bem como para analisar e transferir dados. 3a. Um sistema baseado na técnica de impedância mútua para medição de propriedades dieléctricas e estimação de variações de espessura do escudo de sistemas de protecção térmica de veículos espaciais, bem como avaliação da interacção entre matéria e radiação no ambiente envolvente, caracterizado por: um módulo analógico; um módulo digital; um módulo de software com interface gráfica. 4a. Sistema de acordo com a reivindicação n2 3, caracterizado por o módulo analógico incluir uma fonte de alimentação, um gerador de onda, um elemento de acondicionamento de sinal e eléctrodos. 5a. Sistema de acordo com a reivindicação n2 3, caracterizado por o módulo digital incluir elementos de controlo, aguisição de sinal e conversão analógico-digital. 6a. Sistema de acordo com a reivindicação n2 3, caracterizado por o módulo de software com interface gráfica incluir elementos de processamento de sinal, interface gráfica do utilizador e telemetria. 7a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3 e 4, caracterizado por a forma de onda ser sinusoidal, guadrada, ou de outra forma apropriada, e a amplitude e intervalo de freguência serem seleccionados de acordo com as condutividades térmica e eléctrica do material do sistema de protecção térmica, assegurando uma razão sinal-ruído adequada nos receptores. 1 1 a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3 e 4, caracterizado por a matriz de eléctrodos incluir pelo menos um par de emissores e um par de receptores, ligados no módulo analógico através de cabos triaxiais e coaxiais, respectivamente, ordenados segundo configuração linear, com simetria axial ou outra que garanta máxima sensibilidade a uma profundidade designada. 9a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3, 4 e 8, caracterizado por os eléctrodos receptores serem feitos de uma camada condutora fina, e os emissores incluírem duas camadas condutoras ligadas ao mesmo potencial, com um dieléctrico fino no meio, onde fino significa que a espessura do eléctrodo é muito inferior ao seu comprimento e largura. 10a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3, 4, 8 e 9, caracterizado por os eléctrodos estarem presos à face traseira do sistema de protecção térmica através de uma cola dieléctrica resistente ao calor, ou agarrados na superfície através de tecnologia de deposição catódica usada para produzir filmes finos multicamada. 11a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3, 4, e 10, caracterizado por os eléctrodos estarem termicamente desacoplados do escudo térmico através de uma camada isolante de aerogel de sílica, ou outro material com propriedades similares, incluindo baixa condutividade térmica, baixa condutividade eléctrica e baixa permitividade. 12a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3, 4, 6 e 7, caracterizado por os cálculos efectuados no módulo de software, relacionados com variação de amplitude e fase do estimulo medido nos receptores, envolverem análise no domínio temporal e de frequência, utilizando transformada rápida de Fourier e algoritmos de ajuste de forma de onda sinusoidal. 13a. Sistema de acordo com as reivindicações n2 3 até 12, caracterizado por a matriz de eléctrodos e electrónica operarem na banda de baixa frequência, assegurando uma resolução melhor do que 0,5 mm num escudo com espessura de pelo menos 50 mm, a partir de medições não intrusivas. 9 de Setembro de 2013A method based on the mutual impedance technique for measuring dielectric properties, radiation-matter interaction evaluation, monitoring of ablation processes and estimation of thickness variation of the shield of thermal protection systems of space vehicles, the method being characterized by selecting a set of electrodes - termed electrode array - to define oscillating electric dipole radiation patterns; choice of characteristics of an electrical signal - designated a stimulus - which is injected into the shell of the thermal protection system; selection of analog and digital modules for the acquisition, packaging and processing of the injected signal; definition of software module to control the analog and digital modules, to acquire and process the electrical stimulus, as well as to analyze and transfer data. 3a. A system based on the mutual impedance technique for measuring dielectric properties and estimation of shield thickness variations of thermal protection systems of space vehicles, as well as evaluation of the interaction between matter and radiation in the surrounding environment, characterized by: an analog module; a digital module; a software module with graphical interface. 4a. A system according to claim 3, characterized in that the analog module includes a power supply, a wave generator, a signal conditioning element and electrodes. 5a. System according to claim 3, characterized in that the digital module includes control elements, signal acquisition and analog-to-digital conversion. 6a. System according to claim 3, characterized in that the software module with graphic interface includes signal processing elements, graphical user interface and telemetry. 7a. System according to claims 3 and 4, characterized in that the waveform is sinusoidal, clamped, or otherwise suitable, and the amplitude and frequency range are selected according to the thermal and electrical conductivities of the material of the system ensuring adequate signal-to-noise ratio at the receivers. 1 1 a. System according to claims 3 and 4, characterized in that the electrode array includes at least one pair of emitters and a pair of receivers, connected in the analog module by triaxial and coaxial cables, respectively, arranged in a linear configuration, with symmetry axial or other that ensures maximum sensitivity at a designated depth. 9a. System according to claims 3, 4 and 8, characterized in that the receiving electrodes are made of a thin conductive layer, and the emitters comprise two conductive layers connected to the same potential, with a thin dielectric in the middle, where thin means that the The thickness of the electrode is much less than its length and width. 10a. System according to claims 3, 4, 8 and 9, characterized in that the electrodes are attached to the rear face of the thermal protection system by means of a heat-resistant dielectric glue, or are gripped on the surface by cathodic deposition technology used for produce thin multilayer films. 11a. System according to claims 3, 4 and 10, characterized in that the electrodes are thermally decoupled from the heat shield through an insulating layer of silica airgel, or other material with similar properties, including low thermal conductivity, low electrical conductivity and low permittivity. 12a. System according to claims 3, 4, 6 and 7, characterized in that the calculations performed in the software module, relating to amplitude and phase variation of the measured stimulus at the receivers, involve time and frequency domain analysis using fast transform of Fourier and sinusoidal waveform tuning algorithms. 13a. System according to claims 3 to 12, characterized in that the electrode array and electronics operate in the low frequency range, ensuring a resolution of better than 0.5 mm in a shield having a thickness of at least 50 mm, from measurements not intrusive. September 9, 2013
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US20080192799A1 (en) * 2006-12-21 2008-08-14 Snecma Propulsion Solide Thermal erosion test device and method for testing thermal protection materials of solid propellant thrusters
US8069001B1 (en) * 2009-01-02 2011-11-29 The United States of America as represented by the Administrator of the National Aeronautics & Space Administration (NASA) Thermal protection system ablation sensor

Patent Citations (2)

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