Untersuchungen zur experimentellen Simulation des Eintritts von Raumflugkörpern in die Marsatmosphäre

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Plasma-Wand-Wechselwirkung von drucklos gesintertem Siliziumkarbid als Hitzeschutzmaterial für Eintrittsmanöver von Raumflugkörpern in die Atmosphäre des Mars. Als Basis dazu werden geeignete Plasmabedingungen, die mittels des induktiv beheizten Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 des IRS erzeugt werden, charakterisiert. Als Arbeitsgas für das Plasma wird ein der Marsatmosphäre ähnliches Gasgemisch aus 97 % CO2 und 3 % N2 verwendet. Die Bestimmung der Eigenschaften des Plasmastrahls wird hinsichtlich Wärmestromdichte, Pitotdruck, Plasmageschwindigkeit und Plasmazusammensetzung messtechnisch durchgeführt. Analytische Modelle, die auf einer vorangegangenen theoretischen Beschreibung des axialsymmetrischen Plasmafreistrahles mit einer unterexpandierten Düsenströmung basieren, ermöglichen es, die Länge der Strahlanfangszone und der ersten Strahlzellen zu bestimmen. In Kombination mit den experimentellen Ergebnissen wird weiterhin die qualitative Verteilung der spezifischen Enthalpie im Plasmaquerschnitt ermittelt. Das Einblasen von Eisenoxidpartikeln in den Plasmastrahl, wie sie durch Staubstürme in der Marsatmosphäre in höheren Atmosphärenschichten vorkommen können, zeigt eine deutliche Erhöhung der Wärmestromdichte auf einen Probenkörper im Plasmastrahl. Tests mit SSiC--Hitzeschutzmaterialproben deuten unter Einsatz der Untersuchungsmethoden Photoelektronenspektrometrie und REM-Aufnahmen auf eine aktive Oxidation der Hitzeschutzmaterialprobe aus drucklos gesintertem Siliziumkarbid im Plasma bei hohen Wärmestromdichten hin. This dissertation addresses the investigation of the plasma wall interaction of pressureless sintered siliconcarbide used as thermal protection for the entry maneuvers of spacecraft entering Mars' atmosphere. The basis for the investigation is provided by characterizing appropriate plasma conditions. These conditions are produced using the inductively heated plasma generator IPG4 at the plasma wind tunnel PWK3 at the Institute for Space Systems. The working gas used for the plasma is a mixture of 97% CO2 and 3% N2, which is very similar to the gas found in Mars' atmosphere. Determining the characteristics of the plasma jet is carried out by measuring the heat flow density, the Pitot pressure, the plasma velocity and the plasma composition. Analytical models, based on a previous theoretical description of the axially symmetric plasma free jet with an under expanded nozzle flow, make it possible to determine the length of the beam's inception zone and the first beam cells. Combined with the experimental results, the qualitative distribution of the specific enthalpy in the plasma cross-section will continue to be determined. The injection of iron oxide particles into the plasma jet, such as can occur during dust storms at higher atmospheric levels in Mars' atmosphere, results in an evident increase of the heat flow density on a sample body in the plasma jet. Tests with SSiC thermal protection samples, using the investigative methods photo-electron spectroscopy and REM micrographs, point to an active oxidation of the thermal protection sample made of pressureless sintered siliconcarbide in the plasma at high heat flow densities.