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Aufbau, Qualifikation und Charakterisierung einer induktiv beheizten Plasmawindkanalanlage zur Simulation atmosphärischer Eintrittsmanöver
(2004) Herdrich, Georg; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Zur elektrodenfreien Erzeugung von Plasmen für die Entwicklung, Untersuchung und Qualifikation von Hitzeschutzmaterialien, die von Raumflugkörpern bei Eintrittsmanövern in die Atmosphären von Venus, Erde und Mars benötigt werden, wurde im Rahmen dieser Arbeit der induktiv beheizte Plasmawindkanal PWK3 des IRS aufgebaut. Die Anlage, die über modular konstruierte induktive Plasmageneratoren zum Betrieb mit den Gasen Kohlendioxid, Luft, Sauerstoff und Stickstoff ver¬fügt, wurde für hohe Plasmaleistungen bis zu 60 kW qualifiziert. Messungen von Plasmaleistungen, Induktorströmen, Betriebsfrequenzen, elektromagnetischen Feldstärken, Wärmeströmen auf Probekörpern, Pitotdrücken und Machzahlen dienen der umfassenden Charakterisierung des Betriebsverhaltens der Plasmageneratoren und der Plasmabedingungen. Neuentwickelte analytische Modelle und numerische Berechnungen, deren Ergebnisse gut mit den experimentellen Daten übereinstimmen, ermöglichen durch die Optimierung der Wandstärke des Entladungsgefäßes, der Spulenwindungszahl und der Anzahl der Kapazitäten im Schwingkreis eine maximale Plasmaleistung bei hoher Betriebszeit für unterschiedliche Gaszusammensetzungen.
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Emissionsspektroskopische Untersuchung der Umströmung von Probenkörpern in hochenthalpen Plasmaströmungen
(2006) Winter, Michael W. G.; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In dieser Arbeit werden emissionsspektroskopische Messungen im Freistrahl als auch in der kör-pernahen Probenumströmung eines magnetoplasmadynamischen Generators analysiert. Rotations- und Vibrationstemperaturen der Moleküle NO, O2, N2 und N2+ sowie elektronische Anregungstem-peraturen von atomarem Sauerstoff und Stickstoff und von NO wurden aus den Messungen be-rechnet. Zu diesem Zweck wurde ein Programmpaket zur theoretischen Simulation der Molekül-strahlung zweiatomiger Moleküle entwickelt und zur Untersuchung der Moleküle eingesetzt. Zur Überprüfung dieses Programms wurden am Plasmawindkanal und an einem Mikrowellengenerator die Strahlung von NO, N2 und N2+spektral hoch aufgelöst gemessen. Zusätzlich zu den emissions-spektroskopischen Untersuchungen wurden unterstützende Messungen mit elektrostatischen Son-den zur Ermittlung von Elektronentemperatur und –dichte und mit einem Fabry-Perot Interferome-ter zur Bestimmung von Translationstemperatur durchgeführt. Zur Interpretation der Ergebnisse wurde eine numerische Simulation der Probenumströmung herangezogen. Für diese Simulation wurde aus schon vorliegenden Messwerten für die Plasmaenthalpie unter Annahme von thermody-namischem Gleichgewicht ein Anströmzustand berechnet, der angepasst wurde, bis die Numerik die gemessenen Oberflächenlasten reprodizierte. Die Ergebnisse der numerischen Simulation der Probenumströmung wurden auf der Staustromlinie mit den Messergebnissen verglichen. Die emissionsspektroskopischen Experimente fanden sowohl vor einer wassergekühlten Sonde mit Kupferoberfläche als auch vor einer bei 1700°C glühenden Siliziumkarbid (SiC) Materialprobe statt. Die Berechnung von Molekültemperaturen war jedoch bedingt durch die in der Simulation nicht berücksichtigten Einflüsse der Strahlung der Erosionsprodukte nur vor der gekühlten Ober-fläche möglich. Die Messergebnisse wurden zudem durch hochfrequente Plasmaoszillationen be-einträchtigt, deren Einfluss durch zeitlich aufgelöste emissionsspektroskopische Messungen und durch Messungen mit elektrostatischen Sonden abgeschätzt wurde. Abschließend wurde ein Wiedereintrittsspektrometersystem (RESPECT) vorgeschlagen und für den Einsatz auf der Wiedereintrittskapsel EXPERT der ESA ausgelegt. In enger Kopplung an die Numerik sind die Ergebnisse des für 2008 vorgesehenen Fluges zur Überprüfung der verwendeten Chemiemodelle unter besonderer Berücksichtigung von Nichtgleichgewicht vorgesehen.
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Entwicklung eines auf Emissionsspektroskopie basierenden Sensorsystems zum Einsatz auf Wiedereintrittsplattformen
(2016) Lein, Sebastian; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung eines auf dem Prinzip der Emissionsspektroskopie basierenden Flugexperiments beschrieben, dessen Auslegung sich an den Randbedingungen der EXPERT Mission der europäischen Raumfahrtagentur (ESA) orientiert. Das Ziel des Experiments, wie auch der gesamten Mission, ist die Erforschung des atmosphärischen Eintritts und der damit verbundenen aerothermodynamischen Phänomene. Das in dieser Arbeit entwickelte Spektroskopieexperiment, welches den sichtbaren (VIS) und ultravioletten (UV) Spektralbereich abdeckt, dient in diesem Kontext zur Detektion der während des Wiedereintritts auf den Hitzeschild treffenden elektromagnetischen Strahlung. Die Messdaten des noch ausstehenden Fluges werden Rückschlüsse auf die Chemie- und Strahlungsprozesse im sich vor dem Raumfahrzeug ausbildenden Verdichtungsstoß und dem sich anschließenden Nachstoßgebiet ermöglichen. Zudem sollen die Daten der Untersuchung und Weiterentwicklung von Chemie- und Strahlungsmodellen, wie sie in den numerischen Werkzeugen zur Simulation des atmosphärischen Eintritts verwendet werden, dienen. Die vorliegende Arbeit umfasst die messtechnische Auslegung des Sensorsystems auf Basis von CFD-Simulationen der Kapsel- Anströmung und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen der emittierten Strahlung. Im untersuchten Spektralbereich kann gezeigt werden, dass für den Eintritt der EXPERT Kapsel die emittierte Strahlung von Stickstoffmonoxid- und, in geringerem Maße, von Sauerstoff-Molekülbanden dominiert wird. Bezieht man das ebenfalls vorhandene 777nm Sauerstofftriplett mit ein, lässt sich schließen, dass die zu erwartenden Messdaten primär für die Überprüfung und im Idealfall auch für die Validierung chemischer Reaktionen unter Sauerstoffbeteiligung, inklusive der Bildung von Stickstoffmonoxid (Zeldovich Mechanismus), und der Strahlungsmodellierung der entsprechenden Spezies geeignet sind. Darüber hinaus werden der Aufbau, die Funktionsweise und die erfolgreiche Qualifikation des Sensorsystems beschrieben. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Simulation des Flugexperiments in Form von Plasmawindkanalversuchen. Hierfür wurden dem Flugexperiment vergleichbare Messungen durch eine im Plasma-Freistrahl positionierte Sonde vorgenommen. Weitere umfangreiche Versuche erfolgten zur Charakterisierung der Sondenanströmung, deren Ergebnisse präsentiert werden. Diese beinhalten Radialprofile der Wärmestromdichte, des Pitotdrucks, der lokalen massenspezifischen Enthalpie, der Strahlgeschwindigkeit und der Translationstemperaturen des im Plasma enthalten atomaren Sauerstoffs und Stickstoffs. Die Messungen der Geschwindigkeit und der Temperatur basieren auf dem Prinzip der Fabry-Perot-Interferometrie, wobei erstmalig im Rahmen von Plasmawindkanalversuchen ein Messaufbau zum Einsatz kam, welcher die simultane Erfassung mehrerer Spezies ermöglicht. Alle Messungen wurden an einem Luftplasma vorgenommen, welches durch einen thermischen Lichtbogengenerator erzeugt wird. Basierend auf den Freistrahlmessungen konnten Eingabeparameter für die CFD-Simulation der Sondenanströmung erzeugt werden. Die Ergebnisse dieser Simulationen werden ebenso präsentiert, wie die darauf aufbauenden Strahlungssimulationen. Die Diskussion der Ergebnisse beinhaltet den Vergleich mit den im Experiment gemessenen Größen und zeigt, dass eine gute numerische Reproduktion der von den molekularen Spezies emittierten Strahlung erzielt wurde. Damit konnten im PWK-Experiment sowohl die prinzipielle Funktionalität des Flugexperiments als auch eine mögliche Vorgehensweise zur Analyse der Flugdaten demonstriert werden.
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Entwicklung und Charakterisierung eines gepulsten instationären MPD-Triebwerks als Primärantrieb für Weltraumsonden
(2009) Nawaz, Anuscheh; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Gepulste instationäre magnetoplasmadynamische Triebwerke eignen sich besonders gut für Kleinsatelliten. Dies ist durch die Zwischenspeicherung der Energie in Kondensatoren und dem daraus resultierenden flexiblen Leistungsbedarf begründet. Am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart ist eine Gruppe solcher Triebwerke für die institutseigene Missionen BW1 und Perseus geplant. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung und Optimierung eines iMPD Triebwerks sowie die Entwicklung der zur Charakterisierung notwendigen Messaufbauten vorgestellt. Die geometrischen und elektrischen Haupteinflussgrößen der Zielparameter werden basierend auf systematischen Messungen bestimmt. Eine geometrische und elektrische Optimierung des Triebwerks hinsichtlich des Schubwirkungsgrads kann analytisch aufgezeigt und experimentell durchgeführt werden. Die so erzielten Schubwirkungsgrade sind mit den Werten, die am RIAME/MAI (Research Institute of Applied Mechanics and Electrodynamics / Moscow Aviation Institute) erzielt wurde, vergleichbar. Im Rahmen der analytischen Betrachtung des Triebwerks wird auf das 1960 entwickelte Kolbenmodell zurückgegriffen. Dieses wird durch die Implementierung des Gesetzes von Biot-Savart zur Magnetfeldberechnung präzisiert und erweitert. Der Vergleich der Modellergebnisse mit Messungen zeigt qualitativ eine gute Übereinstimmung. Allerdings ist aufgrund der Annahmen aus dem Kolbenmodell eine quantitative Übereinstimmung nicht zu erwarten. Basierend auf dem Kolbenmodell wird der Schubwirkungsgrad des Triebwerks analysiert und in Abhängigkeit elektrischer Parameter ein Optimum festgestellt. Diese qualitative Beschreibung lässt sich auf das Experiment übertragen und bestätigen. Die entwickelten und verwendeten Messanlagen lassen ich in zwei Hauptbereiche unterteilen. Den ersten bilden die zur Messung der für den Satelliten interessanten Größen herangezogenen Systeme. Hierzu zählt das Pendel zur Impulsmessung, die Messung der pro Puls ablatierten Treibstoffmasse sowie thermischen Messungen an den Elektroden. In den zweiten Bereich fallen alle Messungen, die zum grundsätzlichen Verständnis des Triebwerks beitragen. Hierzu werden Flugzeitsondenmessungen, Magnetfeldsondenmessungen und Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen gezählt. Die Messanlagen werden unter dem Aspekt der geometrischen und elektrischen Parametervariation und -optimierung eingesetzt. Die Ergebnisse dieser Messungen erlauben eine Aussage über die Abhängigkeit der mittleren Austrittsgeschwindigkeit, des Impulses sowie der Masse pro Puls von der Elektrodenbreite, dem Abstand zwischen den Elektroden, der Anfangsenergie im Kondensator und der verwendeten Kapazität. Zusätzlich wird der Einfluss divergierender und zugespitzter Elektroden vermessen. Es ist festzustellen, dass der Elektrodenabstand, die Anfangsenergie und zugespitzte Elektroden eine positive Auswirkung auf den übertragenen Impuls haben. Über dem Divergenzwinkel und der Kapazität wird ein Optimum registriert. Die in der Arbeit gemessenen Impulse liegen zwischen 341 µN s und 2032 µN s. Weiterhin ist eine Abnahme der Austrittsgeschwindigkeit mit zunehmender Elektrodenbreite festzustellen. Wie schon für den Impuls, nimmt auch die Austrittsgeschwidigkeit für zugespitzte Elektroden zu. Das Optimum über dem Divergenzwinkel und der Kapazität kann bestätigt werden. Die höchste Austrittsgeschwindigkeit beträgt 26, 1 km/s. Bei dem aus ablatierter Masse und Impuls berechnete Schubwirkungsgrad ist nur beim Optimum in Abhängigkeit des Divergenzwinkels und beim positiven Einﬂuss der zugespitzten Elektroden ein klarer Trend bezüglich geometrischer Größen zu erkennen. Der Einfluss der anderen Parameter hängt stark von der Konfiguration ab. Allerdings ist die in der analytischen Betrachtung festgestellte Optimierung hinsichtlich der Kapazität deutlich zu sehen. Der so gemessene maximale Schubwirkungsgrad beträgt 33 %. Messungen mit einer Magnetfeldsonde innerhalb des Beschleunigungskanals zeigen die durch das induzierte elektrische Feld initiierte zweite Plasmaschicht. Flugzeitsondenmessungen entlang der Elektrodenachse lösen die lokale Geschwindigkeit der ersten Plasmaschicht auf und zeigen, wie weit die Schicht entlang der Elektroden beschleunigt wird. Hochgeschwindigkeitskameraaufnahmen erlauben einen Einblick in die Form der Plasmaschicht und die Entwicklung dieser während der Beschleunigung. Geschwindigkeitswerte der ersten Plasmaschicht aus Flugzeitsondenmessungen und Kameramessungen vergleichen sich gut. Mittlere Geschwindigkeiten in Kombination mit den Flugzeitsondenmessungen lassen darauf schließen, dass mehr als 40 % der Masse bei dieser nicht optimalen Konfiguration beschleunigt wird.
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Entwicklung und Untersuchung eines Partikelverfahrens zur Simulation elektromagnetischer Wechselwirkungen in verdünnten Plasmaströmungen
(2015) Stindl, Torsten; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
In einer Vielzahl von technischen Prozessen und Geräten, insbesondere in der Raumfahrt, spielen verdünnte Plasmaströmungen eine signifikante Rolle. Zur Erforschung, Auslegung und Optimierung dieser Prozesse und Geräte können numerische Plasmasimulationen einen wertvollen Beitrag liefern. Aufgrund der dünnen Plasmen und der damit verbundenen Ungültigkeit der Kontinuumsannahme werden Partikelverfahren verwendet. Gekoppelte PIC-DSMC-Verfahren zur Approximation der Boltzmanngleichung können sowohl elektromagnetische Interaktionen als auch Kollisionen der Partikel behandeln. Ein solches Verfahren wird derzeit in einer Kooperation zwischen dem Institut für Raumfahrtsysteme (IRS) und dem Institut für Aerodynamik und Gasdynamik (IAG) der Universität Stuttgart entwickelt, mit früheren Beteiligungen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT), des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS) und der German Research School der RWTH Aachen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Untersuchung von Teilen der PIC-Komponente dieses gekoppelten PIC-DSMC-Verfahrens und stellt die implementierten Verfahren und Techniken sowie die durch die Verifizierung und Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse vor. Die theoretischen Grundlagen und physikalischen Zusammenhänge sowie die grundlegenden Gleichungen werden vorgestellt. Die Modellierung und Implementierung des PIC-Verfahrens wird erläutert und die räumlichen und zeitlichen Diskretisierungsmethoden sowie Randbedingungen des Verfahrens werden präsentiert. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Partikelbehandlung. Dazu gehören unter anderem die Partikellokalisierung und -verfolgung bezüglich des Rechengitters sowie die Randbehandlung der Partikel. Die entwickelten und vorgestellten Methoden ermöglichen eine zuverlässige und schnelle Verfolgung der Partikel auf unstrukturierten Gittern mit nicht planaren Flächen zwischen Gitterelementen. Dadurch wird allgemein die sichere Anwendung von Randbedingungen, für das PIC-Verfahren die korrekte Zuordnung der Partikel zu den Rechengitterelementen und für das DSMC-Verfahren die schnelle Erfassung der in einem Element befindlichen Partikel gewährleistet. Ein weiterer Aspekt der Partikelbehandlung ist die Deposition der Ladungen von den Partikeln auf das Rechengitter selbst, für die verschiedene Methoden präsentiert werden. Durch eine grundlegende Untersuchung dieser Methoden hinsichtlich Rechenaufwand, Ladungserhaltung und -verteilung wird deren Eignung für verschiedene Anwendungsbereiche und deren spezifischen Anforderungen identifiziert. Für die bisher verwendete Formfunktionsmethode wurde eine Alternative hoher Ordnung auf der Basis von B-Splines eingeführt, die durch die Verwendung eines kartesischen Hintergrundgitters zur Deposition zu einer signifikanten Reduzierung des Rechenaufwands führt. Da die Simulation der meisten Anwendungsfälle aufgrund der Notwendigkeit von hohen Partikelzahlen und hochaufgelösten Rechengittern sehr rechenintensiv ist und somit die Verwendung von parallelen Hochleistungsrechnern erfordert, ist das Verfahren voll parallelisiert. Die Methoden zurParallelisierung der einzelnen Teile des Verfahrens werden vorgestellt. Darüber hinaus wird die Skalierbarkeit und die Verteilung der Rechenlast gezeigt. Das PIC-Verfahren wird verifiziert und die Anwendbarkeit des Verfahrens am Beispiel der Simulation einer Strömung durch das Gitter eines Ionentriebwerks demonstriert. Die in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren und Techniken ermöglichen die parallele Simulation von dreidimensionalen verdünnten Plasmaströmungen auf komplexen Geometrien unter Verwendung des Discontinuous Galerkin Verfahrens hoher Ordnung, wofür die hierfür entwickelten und untersuchten Partikelbehandlungsmethoden einen wesentlichen Beitrag leisten.
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Experimentelle Untersuchung des Erosionsprozesses von SiC-haltigen Hitzeschutzmaterialien rückkehrfähiger Raumtransportsysteme mit Hilfe der Methode der laserinduzierten Fluoreszenz
(2005) Feigl, Markus; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung des Erosionsprozesses von siliziumhaltigen Hitzeschutzmaterialien am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart. Hitzeschutzmaterialien sind notwendig, um Flugkörper bei einem Eintritt in eine Planetenatmosphäre zu schützen. Der Flugkörper ist in dieser Phase einer aggressiven Umgebung ausgesetzt. Die hohe Geschwindigkeit, d. h. die kinetische Energie des Eintrittskörpers, wird durch einen sich vor dem Raumflugzeug ausbildenden Verdichtungsstoß teilweise in innere Energie der Umgebungsteilchen umgesetzt. Für einen Wiedereintritt in die Erdatmosphäre bedeutet das, daß Hitzeschutzmaterialien atomarem und teilweise ionisiertem Sauerstoff und Stickstoff ausgesetzt sind. Ein auf Siliziumkarbid basierendes Hitzeschutzmaterial oxidiert in einer solchen Umgebung in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur und des Totaldrucks vor dem Material. Es werden zwei Oxidationsmechanismen unterschieden, die passive und die aktive Oxidation. Eine passive Oxidation findet statt, wenn die Umgebungsbedingungen die Ausbildung einer Schutzschicht aus Siliziumdioxid erlauben. Eine aktive Oxidation ist gekennzeichnet durch einen Abbau dieser Schutzschicht oder einen Abbau des Hitzeschutzmaterials. Siliziummonoxid spielt eine zentrale Rolle in der Unterscheidung der Oxidationsmechanismen. Das Auftreten von Siliziummonoxid kann als Indikator für einen Wechsel im Oxidationsverhalten gedeutet werden, da es fast ausschließlich während der aktiven Oxidation gebildet wird. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde die spektroskopische Meßmethode der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) verwendet, um das Umschlagsverhalten im Oxidationsmechanismus zu beschreiben. Eine Untersuchung mit Hilfe der Methode der LIF liefert Ergebnisse, die orts- und zeitaufgelöste Aussagen für einzelne Teilchenarten ermöglicht. Das Erosionsprodukt Siliziummonoxid wurde anhand theoretischer Überlegungen für eine selektive Anregung durch die LIF/ planare LIF (PLIF)-Methode ausgewählt und während eines Übergangs von passiver zu aktiver Oxidation detektiert. Siliziummonoxid wurde während dieser Arbeit erstmals mit einer laserspektroskopischen Meßmethode im Erosionsprozess von Hitzeschutzmaterialien detektiert. Es wurden Spektrensimulationen von SiO erstellt, um den experimentellen Ansatz theoretisch zu untermauern und um geeignete Spektrallinien für LIF- und PLIF- Untersuchungen zu identifizieren. Punktmessungen mit LIF ermöglichten Sensitivitätsanalysen und eine Vorbereitung der planaren Messungen. Einflußnehmende Größen, wie z. B. Laserstrahlintensitätsprofile wurden eingehend untersucht und in die Datenauswertung eingearbeitet. Die Simulation der Eintrittsbedingungen, also die Erzeugung der spezifischen Gaszusammensetzung an der Materialoberfläche, konnte unter Verwendung von magnetoplasmadynamischen Generatoren in Niederdrucktanks erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen und bestätigen Trends im Verhalten des Oxidationsmechanismus. Der Umschlagpunkt verschiebt sich für steigenden Druck in Richtung steigender Oberflächentemperaturen bei konstantem Massendurchsatz. Höhere Anströmgeschwindigkeiten führen zu einer Transition bei niedrigerem Sauerstoffpartialdruck und eine Schadstelle im Material oder eine lokale Überhitzung kann ein Startpunkt für das Einsetzen einer aktiven Oxidation sein. Der Dicke der Schutzschicht kommt eine besondere Bedeutung zu. Sie bestimmt im wesentlichen den Umschlagpunkt und auch die Art des Umschlags. Es lassen sich zwei verschiedene Arten Umschlag von passiver zu aktiver Oxidation definieren. Der Umschlag von aktiver zu passiver Oxidation in Abhängigkeit des Sauerstoffpartialdrucks und der Umschlag von passiver zu aktiver Oxidation mit einer dicken Schutzschicht, bei der die Oberflächentemperatur so hoch ist, daß die SiO2-Schutzschicht schmilzt und Bläschen gebildet werden. Dieser Vorgang ist durch einen plötzlichen Anstieg der Oberflächentemperatur zu identifizieren. Die erarbeiteten Resultate sind ein weiteres Bindeglied zum besseren Verständnis des Erosionsverhaltens von keramischen Hitzeschutzmaterialien.
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Ein Finite-Volumen-Verfahren zur Lösung magnetoplasmadynamischer Erhaltungsgleichungen
(2002) Heiermann, Jörg; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Argonplasmaströmungen in magnetoplasmadynamischen Eigenfeldbeschleunigern, die in der Raumfahrt aufgrund ihres hohen spezifischen Impulses und ihrer hohen Schubdichte als Antriebe für interplanetare Raumflugmissionen eingesetzt werden können, wurde in dieser Arbeit ein Finite-Volumen-Verfahren entwickelt. Für verschiedene Düsengeometrien durchgeführte Berechnungen zeigen, daß die Diffusion aufgrund des Elektronendrucks den Lichtbogen aus düsenförmigen Eigenfeldbeschleunigern heraustreibt und den Lichtbogenansatz auf der Anode maßgeblich bestimmt. In Übereinstimmung mit dem Experiment kann gezeigt werden, daß eine primäre Ursache für Plasmainstabilitäten bei hohen Strömen die durch den Pinch-Effekt hervorgerufene Dichte- und Ladungsträgerverarmung vor der Anode ist. Die berechneten Schübe stimmen mit experimentellen Werten gut überein, so daß das neuentwickelte Verfahren zum Entwurf und zur Optimierung neuer Triebwerke benutzt werden kann.
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Modellierung reaktiver Prozesse auf Siliziumkarbid-Oberflächen in verdünnten Nichtgleichgewichts-Luftströmungen
(2005) Fertig, Markus; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Drei Ansätze zur Berechnung der Wechselwirkungen zwischen Luft im thermischen und chemischen Nichtgleichgewicht und Siliziumkarbid bzw. Siliziumdioxidoberflächen werden vorgestellt und diskutiert. Siliziumdioxid ist ein Oxidationsprodukt der Oxidation von Siliziumkarbid durch Sauerstoff und kann auf der Oberfläche angelagert werden. Dort wirkt es als Diffusionsbarriere und verzögert damit das Fortschreiten der Oxidation. Abhängig vom Gasdruck bildet sich bei hohen Temperaturen verstärkt gasförmiges Siliziummonoxid. In Kombination mit Hochenthalpieströmungen im chemischen Nichtgleichgewicht hat der Abbau des Siliziumdioxid eine um Größenordnungen beschleunigte Oberflächenerosion in Verbindung mit einer Oberflächentemperaturerhöhung von mehreren 100 K zur Folge. Die Verbindung katalytischer Prozesse mit Reaktionen zu Bildung und Abbau von Siliziumdioxid bildet ein Reaktionsgleichungssystem aus 110 einzelnen Reaktionsschritten und ermöglicht es, den Gaszustand an der Oberfläche, die Erosion sowie die Temperatur zu berechnen. Durch Kopplung mit dem im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 259 "Hochtemperaturprobleme rückkehrfähiger Raumtransportsysteme" entwickelten Navier-Stokes Verfahren URANUS, das Luftströmungen im thermochemischen Nichtgleichgewicht genau und effizient berechnen kann, ist es möglich, die Oberflächenbelastung eines Raumfahrzeugs, dessen Hitzeschutzsystem auf Siliziumkarbid oder Siliziumdioxid basiert, bei der Rückkehr zur Erde zu berechnen. Eine einheitliche Schnittstelle für die reaktiven Oberflächenmodelle bildet die kinetische Randflussbehandlung. Diese gestattet es, die Gültigkeit des Simulationsverfahrens in den Übergangsbereich zwischen Kontinuumsströmung und freier Molekularbewegung auszuweiten, so dass Belastungen der Luvseite eines Rückkehrfahrzeugs bis in etwa 100 km Höhe vorhergesagt werden können. Demonstriert wird dies am Beispiel des US-Shuttle Orbiters sowie des experimentellen Wiedereintrittsfahrzeugs MIRKA.
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Modellierung von Teilchenkollisionen zur Berechnung hochverdünnter Plasmaströmungen
(2011) Petkow, Dejan; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die hier vorgestellte Arbeit gibt zunächst eine Einführung in die Theorie der gaskinetischen Beschreibung einer hochverdünnten Strömung. Dabei wird u. A. ein neu entwickeltes Modell zur Initialisierung Boltzmann’sch verteilter Anregungszustände vorgestellt und erfolgreich getestet. Die Modellierungen der Teilcheninteraktionen umfassen reaktive und nichtreaktive Kollisionen, wobei mindestens ein Teilnehmer elektrisch neutral ist, sowie Coulomb-Kollisionen. Der Modellansatz des Instituts für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik für die Lösung der Fokker-Planck-Gleichung, welche die Grundgleichung zur Beschreibung von Coulomb-Kollisionen ist, beruht auf der Lösung einer äquivalenten stochastischen Differentialgleichung. Das Verfahren ist sehr genau und selbstkonsistent, erweist sich aber in der gekoppelten Anwendung derzeit als nicht praktikabel. Da mit dem gekoppelten Partikelverfahren technisch relevante und wissenschaftlich interessante Fragestellungen auf größeren räumlichen und zeitlichen Skalen untersucht werden sollen, wird in dieser Arbeit ein statistischer Modellierungsansatz gewählt. Ein- und Ausgangsgrößen für die Kollisionsberechnung sind grundsätzlich Teilchenenergien sowie die entsprechenden Spezieszugehörigkeiten. Elektrische und magnetische Feldeffekte spielen während der Kollisionssimulation keine Rolle, machen sich aber in den Teilchengeschwindigkeiten vor dem Stoss bemerkbar. Die Translationsenergien geladener Teilchen enthalten elektrisch und magnetisch bedingte Anteile als Ergebnis des instationär arbeitenden Feldlösers hoher Ordnung, welcher vom Institut für Aerodynamik und Gasdynamik entwickelt wird. Die Neutralteilcheninteraktion wird durch Implementierung eines Modells zur Berücksichtigung von Lennard-Jones-Potentialen verbessert. Das Kollisionsmodell wird modifiziert, um die Simulation von Elektron-Schwerteilcheninteraktionen auf Basis eines neu entwickelten Reaktionsmodells zu gewährleisten. Dieses basiert auf energieabhängigen Wechselwirkungsquerschnitten. Es wird eine einfache Querschnittsdatenbank für Argon sowie eine umfangreiche Datenbank für atomare Kohlenstoffspezies aufgebaut und implementiert, was durch plasmatechnologische Anwendungen sowie durch mit Teflon(TM) betriebene Parallelschienenbeschleuniger in der Raumfahrt motiviert ist. Die Datenbank enthält Querschnitte für die elastische Streuung von Elektronen an Neutralteilchen unter Berücksichtigung von Polarisationseffekten, elektronenstoßinduzierte An- und Abregungs- sowie elektronenstoßinduzierte Ionisations- und Rekombinationsquerschnitte. Die Qualität des Modells hängt maßgeblich von der Berücksichtigung aller konkurrierenden Prozesse in Form von Querschnittsinformationen ab. Somit wird für die reaktive Interaktion eines Ion-Elektron-Paares ein vereinfachtes Querschnittsmodell für die Coulomb-Streuung sowie ein Querschnitt für die Strahlungsrekombination implementiert. Eine eigens erzeugte Datenbasis für Fluor kann aufgrund der sehr schlechten Qualität derzeit verfügbarer Datenpunkte nicht verifiziert werden. Coulomb-Kollisionen erfordern aufgrund des zugrundeliegenden langreichweitigen Coulomb-Potentials in der Regel eine alternative Herangehensweise, da die Kollisionen nicht als Zweikörperkollisionen behandelt werden können. Um dennoch Konsistenz in der Modellierung der Teilcheninteraktionen zu wahren, wird ein auf statistischen Prinzipien basierendes Verfahren implementiert und verifiziert. Dabei werden Coulomb-Kollisionen vereinfacht als Abfolge vieler Zweikörperkollisionen betrachtet. Die numerischen Eigenschaften der implementierten Modelle werden hinsichtlich der Kopplung des Gesamtverfahrens sowie der räumlichen, zeitlichen und teilchenbezogenen Diskretisierung diskutiert. Erstmals wird auch der Einfluss des statistischen Fokker-Planck-Lösers auf die Gesamtenergieerhaltung im Falle einer mit einem einfachen Feldlöser gekoppelten Simulation untersucht. Umfangreiche Verifizierungssimulationen auf Basis von Reservoirsimulationen werden durchgeführt. Der statistische Fokker-Planck-Löser wird verifiziert, in dem ein Elektronenstrahl in eine Ionen- und eine Elektronenwolke geschossen wird. Es werden analytische Lösungen für die Lang- und Kurzzeitentwicklung der Drift sowie der Varianz als Referenz verwendet. Im Fall der kurzreichweitigen Teilcheninteraktionen werden systemunabhängige Ratenkoeffizienten als Vergleichsgrößen herangezogen. Nicht vorhandene Referenzwerte werden numerisch durch Mittelung des betreffenden Querschnitts über eine gleichgewichtsverteilte Energie erzeugt. Die Kopplung der Kollisionsroutinen an ein zur Verfügung gestelltes Verfahren zur Berechnung elektrischer Felder wird anhand einer vereinfachten Simulation eines Elektronenstrahls, welcher einen Kohlenstoff-Fluor-Strahl kreuzt, demonstriert. Hierbei steht der Nachweis sowohl der Kopplung unterschiedlicher Datenstrukturen, als auch die Ausführung der Kollisionsprozesse im Vordergrund.
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Strahlung von Plasmen bei atmosphärischen Eintritten
(2010) Pfeiffer, Bernd; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation von Molekülstrahlung unter Bedingungen des atmosphärischen Eintritts. Die Ergebnisse dienen zur Erweiterung der europäischen Strahlungsdatenbank PARADE. Ein Teil der Erweiterung ist die Aktualisierung der bestehenden Datenbank der Moleküle N2, NO, N2+, O2 und CN. Der zweite Schwerpunkt ist die Berechnung der Strahlung von zweiatomigen Molekülen, die bei Eintritten in CO2-haltige Atmosphären berücksichtigt werden müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Strahlungsdatenbank um die Moleküle C2, CO, CO+ und CH erweitert. Die Modellierung der Molekülstrahlung teilt sich in die Berechnung der Linienintensitäten und die Modellierung der Linienpositionen des Vibrations-Rotationsspektrums auf. Für die Berechnung der Linienintensitäten werden zur Bestimmung der Übergangswahrscheinlichkeiten Franck-Condon Faktoren, Dipolmatrixelemente und Einsteinkoeffizienten berechnet. Die Simulation der Linienpositionen geschieht unter Berücksichtigung der Hundschen Kopplungsfälle, die die Spin-Aufspaltung berücksichtigen. Im Weiteren wird untersucht in welchen Fällen die Spin-Aufspaltung berücksichtigt werden muss und in welchen sie vernachlässigt werden kann.
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Über die Mehr-Photonen-Spektroskopie an Xenon zur plasmadiagnostischen Untersuchung elektrischer Weltraumantriebe
(2014) Eichhorn, Christoph; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Zwei-Photonen laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie gilt als wichtiges nicht-intrusives Verfahren zur quantitativen Bestimmung von atomaren und molekularen Grundzustandsdichten in Plasmaströmungen. In neutralem Xenon existiert eine Reihe möglicher Übergänge zur Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz für Laseranregungswellenlängen zwischen 200 und 260 nm, einem Bereich der mit durchstimmbaren, frequenzverdoppelten Farbstofflasern abgedeckt werden kann. Xenon stellt gegenwärtig den meistverwendeten Treibstoff in Ionen- und Hall-Effekt-Triebwerken dar. Die Notwendigkeit der plasmadiagnostischen Untersuchung atomarer Dichten neutralen Xenons im Freistrahl derartiger elektrischer Weltraumantriebssysteme erwächst durch das Auftreten dieser Spezies infolge von Mechanismen wie unvollständiger Ionisation des Treibstoffs in der Entladungskammer, Rekombination ionisierter Atome durch Gitter- oder Wandkollisionen oder als Beitrag der Neutralisatorströmung. Populationen neutralen Xenons nahe des Gittersystems sind darüber hinaus in physikalische Prozesse wie Ladungsaustauschreaktionen involviert, welche zu einem Rückstrom ionisierter Spezies in das Triebwerk oder auf Komponenten des Raumfahrzeugs und daraus resultierenden Beschädigungen führen können. Die Messung von Grundzustandspopulationen neutralen Xenons mit der Methode der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz erfordert für den vorliegenden Anwendungsfall aufgrund der charakteristisch kleinen Massenströme in der Schuberzeugung elektrischer Weltraumantriebe und den daraus resultierenden geringen Teilchendichten im Bereich von typischerweise 10^{17} bis 10^{18} m^{-3} neben einem sensitiven Versuchsaufbau die Auswahl von Absorptions- und Fluoreszenzübergängen mit möglichst großen optischen Übergangsraten. In dieser Arbeit werden in einer systematischen Studie eine Reihe von Übergängen quantitativ untersucht und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Grundzustandsdiagnostik in dünnen Xenon-Plasmen, wie sie im Freistrahl elektrischer Weltraumantriebe vorliegen, diskutiert. Es werden dabei Zustände der 6p, 6p', 7p, 8p, 9p, 4f, 5f und 6f Multipletts durch Zwei-Photonen-Absorption in einer statischen Kaltgaszelle angeregt und die natürlichen Lebensdauern und Stoßdeaktivierungskoeffizienten für einige angeregte Zustände bestimmt. Relative Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitte werden für jeweils zwei Paare von Zuständen der 6p und 6p' Multipletts gemessen. Unter Berücksichtigung der Eigenemission des Plasmas im Freistrahl des zu untersuchenden Ionentriebwerks wird, in Bezug auf frühere Studien zur Anwendung der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie in der Plasmadiagnostik elektrischer Weltraumantriebe, ein Anregungsschema unter Verwendung des 6p'[1/2]_0 Zustands als sinnvolle Erweiterung der bisher verwendeten Übergänge identifiziert. Weiterhin werden Messungen zur Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie im Freistrahl des Radiofrequenz-Ionentriebwerks RIT-10 präsentiert. Die Untersuchungen erfolgen auf Grundlage zweier verschiedener Anregungsschemen unter Verwendung der 6p'[1/2]_0 und 6p'[3/2]_2 Zustände. Relative Grundzustandsdichten werden im Kaltgasstrom in Abhängigkeit des Massenstroms bestimmt. Bei Betrieb des Triebwerks werden Testbedingungen unter Variation des Massenstroms, sowie weiterer Betriebsparameter wie der Leistung des Radiofrequenzgenerators untersucht und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit oben genannter Anregungsschemen für die plasmadiagnostische Charakterisierung des Freistrahls elektrischer Weltraumantriebe wie des hier untersuchten Radiofrequenz-Ionentriebwerks.
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Untersuchungen zur experimentellen Simulation des Eintritts von Raumflugkörpern in die Marsatmosphäre
(2008) Endlich, Pia; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
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.
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Zur induktiven Nachheizung einer Überschallwasserstoffströmung
(2009) Böhrk, Hannah; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die in dieser Arbeit entwickelte, neuartige Plasmaquelle TIHTUS setzt sich aus einem lichtbogenbeheizten Triebwerk mit konvergent-divergenter Düse und einer nachgeschalteten, induktiv beheizten Stufe mit zylindrischem Entladungsrohr zusammen, die den Wasserstoffplasmastrahl der ersten Stufe besonders in den Außenbereichen weiter aufheizt. Mit einer derartigen Nachheizung soll das Leistungsspektrum von Plasmageneratoren und -triebwerken hinsichtlich Schub oder Austrittsgeschwindigkeit und Totaldruck oder spezifischer Enthalpie erweitert werden. Jede der zwei Stufen kann gesondert mit Leistung versorgt und durch jede der zwei Stufen kann Gas zugeführt werden, sodass die Hybridplasmaquelle ausschließlich lichtbogenbeheizt, ausschließlich induktiv oder kombiniert betrieben werden kann. So wird gezeigt, dass nennenswerte Einkopplung von induktiver Leistung in ein reines thermisches Wasserstoffplasma möglich ist. Durch Messung von Plasmaleistung, Schub, Totaldruck, Plasmageschwindigkeit, Wärmestromdichte und Induktionsspulenstrom werden das Betriebsverhalten und die Plasmabedingungen bei zuvor theoretisch und experimentell für Wasserstoff optimierter Betriebsfrequenz von 840 kHz umfassend charakterisiert. Mit einer systematischen Variation der Parameter Leistungs- und Massenstromzufuhr zu den Stufen bei einer Gesamtleistung von 50 kW und 300 mg/s Wasserstoffmassenstrom wird der Einfluss der Nachheizung durch die zweite Stufe auf das Plasma herausgearbeitet. Die Messergebnisse werden mit Hilfe der hergeleiteten theoretischen Modelle für Hybridplasmaquellen und einer numerischen Strömungsberechnung interpretiert. Die Plasmaleistung lässt sich von 13,1 kW bei reiner Lichtbogenheizung mit 25 kW auf 21 kW bei zusätzlicher induktiver Nachheizung mit weiteren 25 kW steigern. Dies geht jedoch mit einer Verringerung des thermischen Wirkungsgrads von 52,4% auf 42,9% einher. Ebenso steigt die Schubstrahlleistung bei Zuschalten der zweiten Stufe bei den gleichen Bedingungen von 4,6 kW bei 18,5% Schubwirkungsgrad auf 5,6 kW bei 11,4% Schubwirkungsgrad an. Dies entspricht Schubwerten von 1,66 N und 1,85 N. Des Weiteren wird beobachtet, dass bei Leistungsaufspaltung zwischen den Stufen gleicher Schub und gleiche effektive Austrittsgeschwindigkeit wie mit der rein lichtbogenbetriebenen Hybridplasmaquelle erreicht werden kann, wenn die Gaszufuhr ebenfalls auf zwei Stufen aufgeteilt wird. Anhand der Totaldruckprofile, die im Maximum 85 Pa betragen, wird bestätigt, dass die induktive Einkopplung am Strahlrand stattfindet. Die Profile verbreitern sich bei zunehmender induktiver Heizung. Dasselbe gilt für die Geschwindigkeitsverteilung, die für steigende Lichtbogenleistung von 3000 m/s auf 9000 m/s ansteigende Werte im Strahlzentrum zeigt. Mit Hilfe der systematischen experimentellen Untersuchung der Nachheizung einer Überschallwasserstoffströmung werden in der vorliegenden Arbeit die theoretischen und experimentellen Grundlagen zur Optimierung des zweistufigen Systems geschaffen. Die entwickelten analytischen Modelle erlauben darüber hinaus, entsprechende Auslegungsrechnungen für zukünftige Entwicklungen durchzuführen.