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Statement  of  Work

-  Parabolic  Flight  Service  for  Droplet  Combustion 

Experiment  in  Microgravity  -

August  2018

Korea  Aerospace  Research  Institute


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-  1  -

Contents

1.  Introduction  ...................................................................................................  2

2.  Droplet  Combustion  Apparatus  &  Experiment  Procedure  ....  2

3.  Parabolic  Flight  Service  Requirements  .............................................  6


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1.  Introduction

1.1  Introduction  of  SOW  (Statement  of  Work) 

❍ This  Statement  of  Work  describes  the  requirements  for  “Parabolic  Flight 

Service  for  Droplet  Combustion  Experiment  in  Microgravity”.

❍ The  experiments  will  be  conducted  using  the  droplet  combustion 

apparatus  developed  by  KARI  (Korea  Aerospace  Research  Institute)  in 

microgravity  condition  provided  through  the  parabolic  flight.

❍ This  service  is  not  only  a  parabolic  flight  campaign  but  also  a  technical 

support  for  performing  the  experiment  such  as  installing  the  apparatus 

in  the  airplane,  testing  the  apparatus,  and  supporting  the  testers  to 

operate  the  apparatus  on  a  flight.

1.2  Introduction  of  function  &  purpose  of  the  system

❍ The  purpose  of  the  system  is  to  assist  to  investigate  the  droplet 

combustion  characteristics  in  microgravity  at  reduced  atmospheric 

pressures.

❍ To  perform  the  experiments,  a  specially  designed  combustion  chamber 

which  provide  a  secured  test  bed  during  the  flight  will  be  used.

2.  Droplet  Combustion  Apparatus  &  Experiment  Procedure

2.1  Droplet  combustion  apparatus

❍ Droplet  combustion  chamber

-  Figure  1  displays  a  schematic  diagram  of  the  droplet  combustion 

apparatus  which  contains  a  combustion  chamber  with  optical  access 

windows  and  electrical  access  ports.

-  The  experimental  apparatus  was  designed  to  be  capable  of  measuring 

the  soot  volume  fraction,  flame  temperature,  flame  radiative  emission, 

and  droplet  burning  rate  of  the  isolated  droplet  flame  in  microgravity 

condition.

-  To  this  end,  the  combustion  chamber  designed  to  operate  at  the 


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atmospheric  pressures  ranging  from  0  to  5  atm.  (abs.)  includes  the 

laser-backlit  diagnostic  apparatus,  high  resolution  CCD  cameras  and 

electro-mechanical  components.

Figure  1.  A  schematic  diagram  of  the  droplet  combustion  apparatus

❍ Laser-backlit  diagnostic  apparatus

-  The  laser-backlit  diagnostic  apparatus  for  measurements  of  the  droplet 

burning  rate  and  soot  volume  fraction  is  the  most  critical  component 

of  the  microgravity  experiment.

-  For  the  laser-backlit  diagnostic  apparatus,  a  635  nm  diode  laser 

coupled  with  a  telecentric  lens  assembly  was  attached  to  a  top 

optical  access  window.

-  The  laser  beam  is  expanded  to  70  mm  in  diameter  and  is  then 

collimated  through  the  telecentric  lens  assembly.  The  expanded  and 

collimated  laser  beam  was  redirected  through  the  bottom  optical  port.

-  Note  that  each  of  the  optical  access  port  was  sealed  with  a  120  mm 

diameter  BK7  window  (with  the  thickness  of  25  mm).

-  The  laser  beam  passing  through  the  combustion  chamber  was  focused 

using  a  plano-convex  lens  fitted  to  the  bottom  optical  port.  The 


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focused  laser  beam  was  then  reflected  toward  a  CCD  camera.  In  front 

of  the  CCD  camera,  optical  filters  were  applied  to  improve  the  quality 

of  images  captured  by  the  CCD  camera. 

-  Two  additional  CCD  cameras  (outside  the  chamber,  see  Figure  1)  are 

used  to  image  the  flame  through  the  eastern  optical  port  of  the 

combustion  chamber.  In  front  of  cameras,  optical  filters  were  used  to 

obtain  unsaturated  flame  images  for  the  various  experimental 

conditions  (e.g.  different  oxygen  concentrations,  inert  substitutions). 

-  The  luminous  droplet  flame  images  were  reflected  toward  a 

high-resolution  CCD  camera  using  a  second  75  mm  diameter  mirror 

positioned  at  45  degree.

❍ Combustion  experiment  platform

-  Figure  2  displays  the  schematic  of  the  combustion  platform  inside  the 

combustion  chamber  on  which  single  droplet  is  generated  and 

deployed  on  a  15  m  SiC  fiber  or  free  floating  in  microgravity  using 

μ

two  opposed  hypodermic  needles. 

-  Fuel  was  pumped  by  a  solenoid-activated  micro  syringe  and  was 

delivered  through  each  hypodermic  needle  attached  to  a  separate 

rotating  motor. 

-  The  dispensed  fuel  forms  a  liquid  bridge  and  the  rapid  motion  of 

needles  in  opposite  direction  deposits  the  droplet  onto  a  15  m  SiC 

μ

fiber  or  makes  the  droplet  float  in  microgravity.  The  15  m  SiC  fiber 

μ

was  used  to  tether  the  formed  droplet  and  to  prevent  it  from  moving 

out  of  the  field  of  view. 

-  The  droplet  deployed  or  suspended  is  ignited  using  two  horizontally 

opposed  Kanthal  hot  wire  igniters.  Igniters  were  heated  for 

approximately  5  seconds  and  were  retracted  after  ignition  to  minimize 

the  thermal  effects  of  the  glowing  igniters  on  the  droplet  heating. 

-  The  ignition  process  is  monitored  using  a  CCD  camera  installed  on  the 

combustion  platform  inside  the  combustion  chamber.  The  flame 

radiative  emission  was  measured  using  a  radiometer.  The  radiometer 

was  placed  about  10  cm  from  the  droplet  center  and  was  coupled  to 


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an  amplifier  which  allowed  the  voltage  signal.

Figure  2.  A  schematic  of  the  combustion  platform  inside  the  combustion 

chamber

❍ The  system's  operating  environment

-  Droplet  combustion  Experiments  will  be  performed  at  reduced  pressure 

conditions  (the  atmospheric  pressure  inside  chamber  will  be  maintained 

below  1  atm.  (abs.)).

-  The  atmospheric  environments  inside  the  chamber  will  be  regulated 

with  the  different  concentration  of  oxygen  (less  than  30%  in  volume) 

blended  with  N2,  He,  or  CO2. 

     

Please  note  that  our  experimental  device  configuration  may  change  to 

※ 

optimize  its  performance.

2.2  Experimental  procedures  (System  Operating  Procedures)

Basically,  the  operation  of  the  apparatus  are  conducted  by  KARI  passengers 

during  the  parabolic  flight,  however,  most  experimental  procedures  are 

automated  and  pre-programed  to  work  functionally  during  the  parabolic 

flight,  following  the  sequence  listed  below;

① Turn  on  a  diode  laser     

② Turn  on  all  CCD  cameras  installed  on  the  system


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③ Turn  on  the  radiometer

④ Bring  hypodermic  needles  together  to  make  a  liquid  bridge 

⑤ Dispense  the  fuel  thorough  two  hypodermic  needles  simultaneously 

⑥ Ignitors  are  placed  close  to  needles

⑦ Retract  hypodermic  needles  to  produce  floated  single  droplet  in 

microgravity

⑧ Energize  the  ignitors  and  move  them  back  to  reduce  thermal  effects  to 

droplet  formed  in  microgravity

⑨ Stop  the  operation  of  experiment  when  a  droplet  flame  is  extinguished

3.  Parabolic  Flight  Service  Requirements

This  parabolic  flight  service  includes  not  only  two  parabolic  flight  campaigns 

but  also  technical  supports  for  performing  the  experiment  such  as  installing 

the  apparatus  in  the  airplane,  testing  the  apparatus,  and  supporting  the 

passengers  to  operate  the  apparatus  on  a  flight.

The  provider  of  the  parabolic  flight  service  shall  meet  the  requirement  of 

section  3.1  and  3.2

3.1  Activities  for  parabolic  flight  campaign

3.1.1  The  parabolic  flight

1)  Two  flight  campaigns  shall  be  provided.

-  The  minimum  20  parabolas  per  flight  shall  be  provided.

-  The  microgravity  time  during  one  parabola  shall  be  provided  for  at 

least  12  seconds  unless  a  critical  safety  issue  during  the  flight  occurs.

2)  The  microgravity  degree

-  The  level  of  microgravity  should  be  about  0.001G  or  less  for  12 

seconds.

3.1.2  Flight  schedule

1)  The  two  flights  shall  be  provided  between  the  end  of  Oct.  and  the  end 

of  Nov.  2018.

2)  Each  of  flights  shall  be  offered  once  a  day.


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3.1.3  Passengers

1)  Each  flight  shall  have  at  least  three  passengers  on  board  to  operate 

the  apparatus  and  to  test  the  instrument.

2)  Personal  flight  suit  and  bag  for  passengers  shall  be  provided.

3.1.4  Research  rack  (section)  supply

1)  Research  rack  (section)  in  the  flight  shall  be  provided  for  mounting  the 

apparatus  of  the  following  size  and  mass.

-  150cm  (L)  x  70cm  (W)  x  150cm  (H)

-  approximately  250kg  (including  support  equipment  of  the  apparatus)

2)  Electrical  power

-  The  plane  shall  provide  electrical  power  of  20A  in  DC  26V  ~  28V. 

-  The  plane  shall  provide  electrical  power  of  maximum  20A  in  AC 

220~230V,  60  Hz  or  equivalent. 

3)  The  vacuum  port  on  board  shall  be  provided.

3.1.5  Technical  support  on  flight

1)  In  flight  coach  assistance  shall  be  provided.

2)  On  board  experiment  assistance  in  case  of  emergency  and  unexpected 

(accidental)  events  shall  be  provided.

3.2  Technical  support  of  research  flight

3.2.1  Technical  support  on  ground

1)  Technical  support  related  to  prepare  engineering  documentation  for  the 

preparation  of  parabolic  flight  shall  be  provided.

2)  Technical  support  for  planning  the  parabolic  flight  experiment  for  the 

safety,  interface  with  the  aircraft,  and  its  support  system  hardware  shall 

be  provided.

3)  Technical  support  for  the  integration  of  the  apparatus  in  the  research 

section  of  the  aircraft  shall  be  provided.

4)  Technical  support  for  the  arrangement  and  testing  of  the  support 

system  in  the  aircraft  for  parabolic  flight  experiment  shall  be  provided.

5)  Technical  support  for  the  pre-test  inside  the  aircraft  shall  be  provided 


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before  flight.

6)  Compressed  gas  handing  support  (including  compressed  gas  ordering 

on  site)  shall  be  provided.

3.2.2  Other  support

1)  Arrangement  for  the  parabolic  flight  experiment  implementation  shall  be 

provided.

-  schedule

-  workplace  for  the  integration  and  testing  on  ground

-  flight  permission  and  its  related  documentation

-  coordination  for  the  parabolic  flight

2)  Orientation/Training  for  passengers

-  Before  the  flight,  the  flight  training  related  the  parabolic  flight  shall  be 

provided  to  passengers.

3)  Experimental  apparatus  handling  support

-  Experimental  apparatus  handling  support  (including  shipping  back  to 

KARI  upon  completion  of  flight)  shall  be  provided.

4)  Insurance 

-  Insurance  shall  be  provided  to  the  passengers  liability  and  third  party 

liability  insurance.


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3.3  Compliance  Check  Table  for  the  parabolic  flight  service

The  companies(service  supplier)  participating  in  bidding  for  this  parabolic 

flight  service  are  required  to  submit  a  brief  plan  including  a  check  table  for 

meeting  the  requirements  in  section  3.1  and  3.2  by  referring  to  the  following 

example  table.

Example)

#

List

C

NC PC

Note

3.1.1

1)  Two  flight  campaigns 

v

2)  The  microgravity  degree

v

3.1.2

Flight  schedule

v

3.1.3

Passengers

v

3.1.4

1)  Mechanical  Interface

v

2)  Electrical  Interface

v

3)  Vacuum  port

v

3.1.5

Technical  support  on  flight

v

3.2.1

1)  Technical  support  on  ground

v

2)  Technical  support  on  ground

v

3)  Technical  support  on  ground

v

4)  Technical  support  on  ground

v

5)  Technical  support  on  ground

v

6)  Technical  support  on  ground

v

3.2.2

1)  Other  support

v

2)  Other  support

v

3)  Other  support

v

4)  Other  support

v

[C:  Compliance,  NC:  Non-Compliance,  PC:  Partial  Compliance]