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Ab initio quantum-chemistry database for N2 (v, J) + N in a state-to-state implementation of the DSMC method
(2017) Torres, Erik; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
In this work, the implementation within DSMC of a coarse-grain model for nitrogen is presented. The main contribution of this thesis is the development of a methodology by which a detailed state-to-state reaction mechanism for internal energy exchange and molecular dissociation can be reduced to a manageable size and incorporated into a DSMC code. The feasibility of using this model to simulate problems with realistic 2D/3D geometries and conditions relevant for atmospheric entry applications is demonstrated.
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Active removal of space debris with space-based lasers : performance and requirements
(2016) Schmitz, Manuel; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Space debris has recently become a topic of elevated interest. As the threat of an uncontrollable collision cascade among defunct space objects, known as the Kessler syndrome, is being discussed, the stakeholders and decision-makers have begun to consider the active removal of orbital debris. Thus motivated, the space community has begun conceiving and studying technical concepts for the realization. The bulk of them address the removal of larger bodies from orbit. These are catalogued and have the potential of fragmenting into a high number of new, dangerous objects. This thesis, however, treats a concept for the removal of the medium-sized (1 cm to 10 cm) debris objects. These are by far more numerous and are not catalogued. They have a comparable destructive potential but may be even harder to pick from their orbits. The remediation concept treated herein employs a space-based, high-power laser. By engaging objects in the size regime of 1 cm to 10 cm, and causing laser-induced surface ablation on a substantial subset of the debris population, the objects' perigees shall be reduced, so that they will re-enter the atmosphere quickly and eventually burn up. Although this mission concept has been studied in the past, essential key aspects have not yet been analysed in sufficient depth. In fact, important parts have only been covered by rough estimates and rule-of-thumb calculations. Among these topics are: The number of reachable debris objects, the necessity for orbital manoeuvres to be performed by the laser, the impact of the relative motion between laser and debris in the near field, and the connection between the laser optics and orbital mechanics. This thesis determines the boundaries in which a space-based laser debris removal can be performed. It identifies the necessary assumptions and the prerequisites, and derives technical system requirements for an implementation. For this purpose, a generic and comprehensive mission performance model is established. The model employs a discrete element approach, which is implemented as a numerical code. It allows performing case studies of individual missions as well as systematic parameter scans and optimizations. Additionally, it provides insight into the relevant mechanisms that are driving the performance: The user can tell why a particular scenario is strong or weak, and iteratively tune the mission and system parameters of the orbital debris sweeper platform. Three performance-driving quantities have been identified: The laser range, the tracking agility and the laser's power. This computer-based model is used to identify the constraints and the boundary conditions of the mission concept in general, framing a "design space" of missions. Finally, three exemplary sweeper missions are presented as a demonstration of the model's capabilities. Requirements for their technical implementation are estimated, along with an analysis of their remediation performance. The balanced scenario is shown to be capable of reducing the debris density in the most polluted orbital regions by 23% in 10 years.
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Analyse der Spallation von Hitzeschutzmaterialien in Wiedereintrittsströmungen
(2024) Grigat, Felix; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Arbeit wird das Phänomen der Spallation, das Absplittern fester Partikel aus der Oberfläche ablativer Hitzeschutzmaterialien, experimentell untersucht. Reine Kohlenstoffmaterialien sowie Kohlenstoff-Phenolharz Materialien werden in Plasmawindkanalanlagen unter drei verschiedenen Strömungsbedingungen getestet. Das Ablationsverhalten der Materialproben wird mit einem hierfür entwickelten experimentellen Aufbau mit unterschiedlichen Messverfahren im Detail charakterisiert. Die bei diesen Untersuchungen verwendeten Messverfahren sind Stereophotogrammetrie zur Messung der Rezession, eine Hochgeschwindigkeitskamera zur Detektion von Spallationspartikeln, optische Emissionsspektroskopie zur Vermessung der Strahlung von Ablationsprodukten in der Strömung, Thermographie und Pyrometrie zur Oberflächentemperaturmessung sowie Druckmessungen innerhalb der Materialproben zur Analyse des Pyrolysedrucks. Die untersuchten Materialien sind der in der Arbeitsgruppe HEFDiG entwickelte Kohlenstoff-Phenolharz Ablator HARLEM, der Kohlenstoff-Phenolharz Ablator ZURAM sowie die zwei reinen Kohlenstoff Materialien Calcarb und Fiberform. Die erforderliche Genauigkeit der Messung der Oberflächenrezession während der Experimente wird mit der photogrammetrischen Messmethode erreicht. Diese Messungen bilden die Grundlage für die Charakterisierung des Ablationsverhaltens der Materialproben. Hierzu wird der photogrammetrische Messaufbau für Anwendungen am Plasmawindkanal optimiert. Die Spallation wird untersucht, indem die Anzahl der Spallationspartikel mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst wird. Hierzu wird ein Algorithmus entwickelt, um die Partikel automatisch zu identifizieren. Es wird gezeigt, dass phenolhaltige Ablatoren im Vergleich zu reinen Kohlenstoffmaterialien eine geringere Menge an Spallationspartikeln abgeben und dass der Anteil von Spallation am Gesamtmassenverlust bei phenolhaltigen Ablatoren um bis zu 50% geringer ausfällt. Die Analyse der Partikeltrajektorien zeigt, dass sich die Partikel im Gegensatz zu häufig in der Literatur getroffenen Annahmen nicht wesentlich stromaufwärts bewegen. Druckmessungen im Ablator ergeben Drücke von bis zu 276 hPa in den phenolhaltigen Kohlenstoffablatoren HARLEM, wobei eine Korrelation mit dem Ausströmen von Pyrolysegasen, aber keine mit der Spallationsrate beobachtet wird. Dies deutet darauf hin, dass Pyrolysegase nicht, wie oft angenommen, zu Spallation führen. Die Untersuchungen zeigen auch eine Obergrenze der Menge des im Kohlenstoffmaterial eingebrachten Phenolharzes auf. Ist diese zu hoch, so können die entstehenden Pyrolysegase beim Wiedereintritt nicht entweichen, sodass der zu hohe Druckanstieg zum mechanischen Versagen der gesamten Materialprobe führt. Der Einfluss von Scherkräften und Oxidation auf die Partikelbildung wird durch Vergleiche unterschiedlicher Versuchsbedingungen analysiert. Die Rezessionsrate und die Anzahl von Spallationspartikeln ist in einer reinen Stickstoffströmung deutlich reduziert im Vergleich zu einer Luftströmung gleicher Wärmestromdichte. Weiterhin zeigt sich in einer Strömung mit einem hohen dynamischen Druck eine deutliche Zunahme der Rezession und der Anzahl der Spallationspartikel. Damit wird gezeigt, dass Oxidation und Scherkräfte für die Spallation eine wesentlich wichtigere Rolle spielen als die bloße Sublimation des Materials. Des Weiteren wird das Strömungsfeld vor dem Ablator mittels Emissionsspektroskopie untersucht. Hierbei wird festgestellt, dass sich die Präsenz von Spallationspartikeln nicht auf die Strahlungsemission der Ablationsprodukte auswirkt. Diese wird im Wesentlichen durch das Ausgasen von Pyrolyseprodukten bestimmt. Die Auswertung der mittels eines Czerny-Turner Spektrometers gemessenen Strahlung des CN Moleküls bestätigt diese Beobachtung. Die Untersuchung der zeitlichen Verläufe der Teilchendichten von CN zeigen, dass die Anzahl an Spallationspartikeln nicht entscheidend ist für die Menge an CN Molekülen in der Strömung. Der Einfluss von Spallation auf die Strömung fällt damit deutlich geringer aus als bisher aus der Literatur bekannt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zusammenfassend überwiegt weiterhin der negative Aspekt des erhöhten Massenverlusts durch Spallation. Daher ist Spallation ein unerwünschter Effekt und sollte bei der Auslegung von Hitzeschilden reduziert werden.
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Charakterisierung von Kohlendioxid-Plasmaströmungen zur Simulation von Marseintrittsmanövern
(2017) Marynowski, Thomas; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Das Thema dieser Arbeit ist die Charakterisierung von CO2-Plasmaströmungen, die die Simulation von Eintrittsmanövern an Planeten ermöglichen. Die Planeten Venus und Mars besitzen eine von CO2 dominierte Atmosphäre und besonders unser direkter Nachbarplanet Mars steht momentan im Fokus aktueller explorativer Missionen. Für eine sicherere und umfangreichere Erkundung der Planeten sind effiziente Technologien erforderlich. Dabei spielen Hitzeschutzmaterialien (engl. Thermal Protection Systems, TPS) eine wichtige Rolle, denn sie ermöglichen erst die Eintrittsmanöver und machen einen erheblichen Masseanteil der Raumfahrzeuge aus. Durch Verbesserung und effizienteren Einsatz der Hitzeschutzmaterialien kann der Nutzlastanteil gesteigert und durch Erhöhung der Sicherheit die Erfolgschancen der Missionen verbessert werden. Das Testen und die Weiterentwicklung solcher Hitzeschutzmaterialien sind mit Hilfe des induktiven Plasmagenerators IPG4 am Plasmawindkanal PWK3 möglich. Die Voraussetzung für solche Tests ist die Kenntnis der wichtigsten Parameter des Freistrahls. Die Messung der Parameter wird mit zwei unterschiedlichen Gruppen von Messmethoden durchgeführt. Als Teil der nicht intrusiven Messmethoden und Schwerpunkt dieser Arbeit wird die laserspektroskopische Methode der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz (engl. Two-Photon Absorption Laser-Induced Fluorescence, TALIF) eingesetzt. Damit wird zum ersten Mal bei Eintrittsbedingungen in einem induktiv geheizten CO2-Plasma die Grundzustandsdichte von Sauerstoff, als eines der wichtigsten Dissoziationsprodukte einer CO2-Strömung, gemessen. Absolute Aussagen (Grundzustandsdichte, translatorische Temperatur und Geschwindigkeit) über den atomaren Sauerstoff werden durch Messungen an Xenon ermöglicht, das einen passenden Zweiphotonenübergang besitzt und so zur Kalibrierung benutzt werden kann. Zur Erweiterung der Charakterisierung werden auch weitere Messmethoden genutzt. Die optische Emissionsspektroskopie (OES) und ein Hochgeschwindigkeitskamerasystem (HSC) werden als weitere nicht intrusive Diagnostiken eingesetzt. OES ermöglicht die Identifizierung der vorkommenden Spezies sowie die Bestimmung von Vibrations-, Rotations- und elektronischen Anregungstemperaturen. Die Daten der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen geben orts- und zeitaufgelöste Informationen über Emissionsverteilungen einzelner identifizierter Spezies in der Strömung, was durch den Einsatz von schmalbandigen Spektralfiltern erreicht wird. Darüber hinaus werden intrusive, also in die Strömung gebrachte, Sonden verwendet, um Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie zu messen. Die massenspezifische Enthalpie wird dabei auf zwei unterschiedliche Weisen ermittelt. Dazu wird einerseits eine spezielle Enthalpiesonde und andererseits ein indirekter semiempirischer Ansatz, der sich auf die Messung von Totaldruck und Wärmestromdichte sowie eine benötigte Konstante stützt, verwendet. Durch die Sondenmessung der massenspezifischen Enthalpie ist es möglich, die Konstante aus den Daten dieser Arbeit, durch eine Rückrechnung neu zu ermitteln und mit der Literatur zu vergleichen. Insgesamt geben die Ergebnisse Aufschluss über wichtige Parameter der Strömung wie Geschwindigkeit, Temperaturen, Teilchendichte, Totaldruck, Wärmestromdichte und massenspezifische Enthalpie. Weiter sind über die identifizierten Atome und Moleküle Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Strömung möglich, wodurch Betrachtungen des thermo-chemischen Zustandes der Plasmaströmung ermöglicht werden. Für die supersonische Strömung zeichnet sich das Bild eines Nichtgleichgewichtszustandes, das im Einzelnen (chemisch und thermisch) betrachtet wird. Es wird ein Vergleich der vorliegenden Strömungsdaten zu Daten der vergangenen erfolgreichen Marsmissionen sowie weltweit anderer Bodentestanlagen dargestellt. Dabei wird gezeigt, dass der Plasmawindkanal PWK3 mit dem induktiven Plasmagenerator IPG4 in der Lage ist, die Wärmestromdichte und die massenspezifische Enthalpie der bisherigen Eintrittsmissionen im vollen Umfang zu reproduzieren, jedoch der Totaldruck nur auf die frühen Phasen der Eintrittstrajektorien beschränkt simulierbar bleibt. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine sehr gut charakterisierte CO2-Plasmaströmung, die zur Erprobung von Hitzeschutzmaterialien für zukünftige Flüge zum Mars und der Venus verwendet werden kann.
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Development and application of PICLas for combined optic-/plume-simulation of ion-propulsion systems
(2019) Binder, Tilman; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Electric propulsion systems are an efficient option for altitude/attitude control and orbit transfers of spacecraft. One example is the gridded ion thruster which ionizes the propellant and accelerates the ions of the generated plasma by a high-voltage grid system. This work deals with the numerical simulation of the plasma flow starting near the grid system in the ionization chamber and leaving the thruster with high velocity. These simulations give direct insight into the modeled, physical interrelationships and can be used to investigate questions arising in the industrial development process of ion propulsion systems. The required simulation method is challenging due to the high degree of flow rarefaction and the plasma state itself, including freely moving ions and electrons. Applicable simulation methods belong to a particle-based, gas-kinetic approach, such as Particle-In-Cell (PIC) for the simulation of electromagnetic interaction and the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) for inter-particle collisions. The effects resulting from the finite size of a real system can only be investigated by simulating the complete, three-dimensional thruster geometry which requires a large and complex simulation domain. Acceptable simulation times are realized by expanding and using the framework of the coupled PIC-DSMC code PICLas in combination with high performance computing systems.
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Differential aerodynamic forces as a means to control satellite formation flight
(2023) Traub, Constantin; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
In the case of satellite formations, for which perturbing effects must be routinely compensated, the limitations of dedicated propulsion systems can be overcome by exploiting natural resources. In the best case, it is the major perturbing effect that is benefited from. In the Very-Low Earth Orbit regime, an emerging area associated with far-reaching potential but also enormous challenges, this is the aerodynamic drag acting on a satellite. This dissertation aims to contribute to this promising field by addressing the governing research question "How can optimal simultaneous three-dimensional relative motion control of satellite formations in the Very-Low Earth Orbit regime be realized via differential lift and drag?". The goal is to provide a comprehensive and holistic overall system view of the methodology. Particular emphasis is placed on the further development and characterization of the differential lift methodology, which has received little attention in the literature but is essential for three-dimensional formation flight control. The common thread running through this dissertation is the consideration of orbital decay, which is the major challenge that must be overcome to enable a sustained operation in this regime. Whenever possible, efforts were made to minimize it. This ranges from the development of a planning tool for trajectories which are optimal in a sense that the resulting decay during the maneuver is minimized to the design of optimal satellite geometries for Very-Low Earth Orbit applications. In combination, this provides a holistic view of the problem which is not yet available in the literature and insights that could hardly be obtained by other means. In addition, analytic algorithms have been (further) developed and combined to form a flexible analysis tool which allows computationally efficient preliminary assessments. As the nature of the in- and out-of-plane relative motion fundamentally differs, so does its control. The unstable nature of the in-plane motion can be exploited for efficient maneuvers via passive drifting periods during which no control inputs are required. In contrast, the out-of-plane motion is quasi-stable and its sinusoidal nature necessitates that both satellites actively rotate in an oscillating and opposing manner to steadily produce differential lift in the desired direction. The challenge is thus to combine the different requirements in the best possible way, which represents a task which is predestined to be tackled via optimal control theory. In this work, simultaneous in and out-of-plane control is achieved by applying yaw angle deviations. This is the most suitable approach for the given task, as it enables to exert both control forces simultaneously and in the optimal direction, i.e., differential lift perpendicular to the orbital plane. After demonstrating that the proposed approach can be used to schedule arbitrary three-dimensional formation flight maneuvers with minimal orbital decay, parameter studies targeting to explore the design space of possible maneuver variants have been conducted. The results demonstrate that the resulting maneuver characteristics is primarily determined by (a) the balance between the difficulties of the two control tasks with respect to the available maneuver time, (b) the dynamic pressure and (c) the satellite design. These insights enabled to sub-divide the overall resulting decay into three different types and to develop targeted strategies for their respective reduction. Moreover, it allowed to identify the necessary condition which ensures a most efficient maneuver realization. Accordingly, the control tasks have to be balanced in a way that the decay which is inevitably induced during the out-of-plane control can effectively be exploited for the in-plane control. With respect to a real mission application, however, it must be concluded from the results of the analysis that for state-of-the-art satellites the possibilities for out-of-plane adjustments via differential lift are limited and that its application is associated with severe levels of orbital decay. An essential cause is that the deposition of atomic oxygen, the major atmospheric constituent in this orbital regime, on the traditional satellite surface materials causes diffuse re-emission and ultimately the low lift coefficients experienced in-orbit to date. Consequently, it is anticipated that this methodology will find seldom application in the immediate future. As soon as materials with long-term specular or quasi-specular reflective properties become available, this evaluation will turn out differently as they have a far-reaching potential for the methodology. While improvements in the most critical parameter, the achievable lift-to-drag ratio, could be achieved for diffusely emitting materials through targeted design optimization (around 8 %), the potential for reflective materials exceeds this by orders of magnitude (around 1520 %). The tools and methods developed within this work, however, can not only equally be employed for state-of-the-art and improved satellites designs, but in addition help to identify ideal designs in the first place. Consequently, they represent a lasting contribution to the research field. Furthermore, they serve as a valuable basis for a variety of other promising research tasks, which are briefly outlined at the end of this dissertation.
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Diodenlaserspektroskopie zur Analyse von Hochtemperaturproblemen
(2021) Fulge, Hannes; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
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Emissionsspektroskopische Analyse einer hyperbolischen Wiedereintrittsströmung im Plasmawindkanal
(2017) Hermann, Tobias; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Die Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Simulation einer hyperbolischen Wiedereintrittsströmung in einem Plasmawindkanal. Die Strömung wurde anhand verschiedener emissionsspektroskopischer Methoden charakterisiert und analysiert. Die Analyse hat zur quantitativen Bestimmung von absoluten Teilchendichten und Anregungstemperaturen verschiedener Plasmaspezies geführt. Schließlich wurde der Einfluss ablativer Materialproben auf die körpernahe Strömungsgrenzschicht untersucht.
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Experimentelle Untersuchungen zum Versagen von Raumfahrtstrukturen beim atmosphärischen Wiedereintritt
(2024) Leiser, David; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
In der vorliegenden Dissertation wird der Einfluss mechanischer Lasten auf den destruktiven Wiedereintritt großer Raumfahrtstrukturen experimentell analysiert. Dabei wird der Einfluss mechanischer Lasten insbesondere auf die Break-Up Höhe untersucht, da diese für weitere Fragmentierungsprozesse und Verglühen von entscheidender Bedeutung ist. Dazu wird ein neuer mechanischer Aufbau beschrieben, der mechanische Lasten in Bodentests aufbringen kann. Der Aufbau basiert auf einem elektromechanischen Lastzylinder, der in den Plasmawindkanal PWK4 integriert wurde. Dieses neuartige Konzept weist eine Probenform auf, für die eine erweiterte Umrechnungsmöglichkeit von Flugsituationen in Bodensimulationen erforderlich ist. Dazu wird die bekannte LHTS Ähnlichkeit um eine axialsymmetrisch planare Transformation erweitert. Diese Methode wird durch Wärmestromdichtemessungen im Plasmawindkanal validiert. Die mechanischen Lasten auf die Modulverbindungselemente der Internationalen Raumstation werden durch Freiflugexperimente im Stoßwindkanal TUSQ der University of Southern Queensland untersucht. Die ermittelten Lasten werden zum Flugfall skaliert und entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie extrapoliert. Als Versuchsbedingung werden drei Trajektorienpunkte in 90 km, 75 km und 65 km Höhe entlang einer typischen Wiedereintrittstrajektorie aus dem niedrigen Erdorbit untersucht. Diese entsprechen der frühen Eintrittsphase, der Höhe des typischen Break-Up und der Höhe der maximalen Wärmelast. Dabei werden sowohl die Plasmabedingung als auch die mechanische Last auf diese Trajektorienpunkte angepasst. Vier typische, metallische Strukturmaterialien werden untersucht; zwei verschiedene Aluminiumlegierungen, eine Edelstahllegierung sowie eine Titanlegierung. Um das Materialverhalten vergleichen zu können, werden die Proben sowohl unbelastet als auch belastet getestet. Die Materialversuche weisen deutliche Unterschiede sowohl zwischen den unterschiedlichen Materialien als auch zwischen den Versuchsbedingungen auf. Die Hochtemperaturmaterialien Edelstahl und Titan versagen nie unter den nominellen Bedingungen; eine Lasterhöhung führt zur Einschnürung und schlussendlich zum Versagen der Materialien. Bei den Aluminiumlegierungen können je nach Bedingung und Last drei unterschiedliche Versagensarten beobachtet werden, Einschnüren mit Bruch, Sprödbruch, und Schmelzen. Die mechanischen, thermischen und spektroskopischen Analysen der Proben zeigen Eigenschaften wie Deformation, Oxidation und spektrale Emission. Eine Analyse des Oxidationsverhaltens, gekoppelt mit der spektralen und visuellen Analyse zeigt, dass das atypische Verhalten der gemessenen Oberflächentemperatur, einer Veränderung des Emissionsgrads infolge von chemischen Reaktionen zugeordnet werden kann. Spektrale Merkmale werden mit den Daten aus Beobachtungsmissionen verglichen. Dabei zeigt sich, dass bisherige Korrelationen zu spektralen Ereignissen und dem Zerfall einzelner Komponenten nicht gültig sind. Der Nachweis von Alkalimetallen ist dabei, nicht auf Komponenten zurückzuführen, sondern als Spurenelement in allen Strukturelementen vorhanden. Vor allem in Edelstahl und Titan sind die spektralen Signaturen eher durch Änderungen des Oxidationsverhaltens erklärbar als durch strukturelles Versagen. Ein Modell auf Basis der Meteorforschung wird genutzt, um den Massenverlust eines beobachteten Wiedereintritts abzuschätzen. Die Materialparameter werden dafür experimentell ermittelt. Die daraus errechnete Gesamtmasse weicht dabei maximal 20 % von der Gesamtmasse des Raumtransporters Cygnus beim Wiedereintritt ab. Diese Arbeit zeigt, dass mechanische Lasten beim destruktiven Wiedereintritt eine signifikante Rolle spielen. Versuche in Bodentestanlagen unter kombinierten Lasten stellen für eine experimentelle Untersuchung eine geeignete Methode zur Evaluation des Materialverhaltens dar.
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Festelektrolytsensoren zur Messung von atomarem Sauerstoff auf Forschungsraketen
(2019) Eberhart, Martin; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Die Dissertation behandelt die Untersuchung, Entwicklung und Anwendung von amperometrischen Festelektrolytsensoren zur lokal aufgelösten Messung der Teilchendichten von atomarem und molekularem Sauerstoff auf Höhenforschungsraketen. Die Teilchendichten dieser Spezies sind für die Physik der Atmosphäre von großer Bedeutung und werden in Raketenexperimenten in der sogenannten MLT-Region im Höhenbereich zwischen 70 und 110 km bestimmt. Für die Kalibrierung der Sensoren auf atomaren Sauerstoff wird eine neue Methode entwickelt, die ein Massenspektrometer in Cross-Beam-Konfiguration als Referenzinstrument verwendet. Das transiente Verhalten der Sensoren wird in dieser Arbeit erstmalig sowohl numerisch als auch experimentell behandelt. Die Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Messungen auf zwei Raketenflügen des Projekts WADIS.
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Herstellung von Festkörperelektrolytsensoren mittels Inkjet-Druck
(2024) Gröger, Pascal; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Die Dissertation behandelt die Untersuchung von Inkjet-Druck-Parametern und Prozessen am Beispiel der Herstellung von amperometrischen Festelektrolytsensoren für die Messung des Sauerstoffpartialdruckes im Hochvakuum. Für die hergestellten Sauerstoff-Sensoren ergeben sich Anwendungsfelder, die von der Prozesssteuerung in Beschichtungsanlagen, der Überwachung von Verbrennungsprozessen bis hin zu Anwendungen in der Atmosphärenforschung reichen. Unter Verwendung spezieller Nanopartikel-Tinten, durch die Entwicklung eines Gesamtprozesses und der Einführung des thermalen Rapid-Sinterprozesses konnten leistungsstarke Sensoren mit einer Betriebsdauer von über 2000h produziert werden. Wesentliche Vorteile der Inkjet-gefertigten FES hinsichtlich des geringen Materialverbrauchs bei der Herstellung, der kurzen Fertigungsdauer von wenigen Stunden und lokalen Betriebsmöglichkeit unter extremen Bedingungen.
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Messsysteme für Sauerstoff-Sensoren auf Basis von Festkörperelektrolyten
(2020) Kastelik, Richard; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Diese Dissertation thematisiert amperometrische Festkörperelektrolytsensoren zur O2-Messung im Vakuum. Ausgehend von einem technischen Stand siebdruckgefertigter Sensoren, werden deren Charakteristiken aufgezeigt. Insbesondere eine auftretende Sensordrift wird analysiert und durch technische Maßnahmen im Zuge einer Sensorüberarbeitung behoben. In diesem Kontext wird die Standardisierung und flexible Automatisierung von Sensorcharakterisierungen mithilfe von LabView unter Verwendung eines FPGA-Chips entwickelt. Im Zuge der Untersuchungen werden mit einem lithographiegestützen Sputterprozess und dem Tintenstrahldruck auch alternative Fertigungsmethoden aufgezeigt. Für den Tintenstrahldruck wird zusätzlich ein neues Verfahren zur Fertigung der Funktionsschichten auf Basis von Simulationsmethoden zur Steigerung der Schichtqualität etabliert.
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Methode zur Messung von atomarem Sauerstoff mittels katalytischem Prinzip
(2016) Steinbeck, Andreas; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
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Modellierung der Plasmastrahlung polyatomarer Moleküle bei atmosphärischen Eintrittsflügen
(2024) Liebhart, Heiko; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
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Nicht-intrusive Messung der Wärmestromdichte auf transpirationsgekühlte Oberflächen
(2024) Hufgard, Fabian; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit ist die Entwicklung von drei nicht-intrusiven Methoden zur Bestimmung der transienten Wärmestromdichte in eine transpirationsgekühlte Oberfläche beschrieben. Transpirationskühlung ist ein aktives Kühlverfahren, das aufgrund seiner hohen Effektivität für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen untersucht wird. Bei Transpirationskühlung besteht das Hitzeschild aus einem porösen Material, durch das ein Kühlgas nach außen gedrückt wird. Das bewirkt sowohl die aktive Kühlung der Wand durch Advektion als auch die Reduktion des konvektiven Wärmeeintrags in die Oberfläche durch das Kühlen der Strömungsgrenzschicht. Für die Auslegung solcher Hitzeschilde ist die Oberflächenwärmestromdichte eine wichtige Variable, weil sie die Wandtemperatur diktiert. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden zur Wärmestromdichtebestimmung basieren auf der transienten und nicht-intrusiven Messung des Drucks im Plenum, d.h. dem bedruckten Bereich zwischen dem Durchflussregler und der porösen Wand. Dazu wird das Systemverhalten infolge der Oberflächenwärmestromdichte durch eine Modellgleichung mathematisch abgebildet. Die Modellparameter werden durch einen zerstörungsfreien Kalibrieransatz identifiziert. Die Eingangsgrößen der Modellgleichung sowie deren Nutzung zur Bestimmung der Oberflächenwärmestromdichte unterscheidet sich zwischen den Methoden. Bei der Pressure-based Non-Integer System Identification (NISIp) Methode korreliert die Wärmestromdichte direkt mit dem Plenumsdruck. Die kalibrierte Modellgleichung ermöglicht die Berechnung der Druckimpulsantwort. Mit dieser wird die Wärmestromdichte unter Anwendung inverser Methoden aus der transienten Druckmessung bestimmt. Dazu ist der Emissionsgrad der einzige erforderliche Materialparameter. Durch experimentelle und numerische Analysen der NISIp-Methode wird gezeigt, dass für die Beschreibung des zugrundeliegenden thermodynamischen Prozesses das Plenum als endliches Volumen mitberücksichtigt werden muss. Dadurch kann sich der Massenstrom durch die poröse Wand signifikant ändern, auch wenn der Massenstrom am Durchflussregler konstant ist. Es wird gezeigt, dass die Reduktion der Parameter Plenumsvolumen, Länge sowie spezifische Wärmekapazität der porösen Wand zu einem schnelleren Ansprechen des Plenumsdrucks auf die Oberflächenwärmestromdichte und damit zu einem kleineren Messfehler führt. Für die Parameter Massenstrom, Umgebungsdruck, Querschnittsfläche und Permeabilität der porösen Wand gilt das Gegenteil. Die Anwendung eines NISIp-Sensors im Plasmawindkanal PWK4 ergab für Wärmestromdichten bis ca. 400 kW/m2 eine Messunsicherheit von nur 17%. Der Non-Integer System Identification with Fluid Temperature (NISITf) Ansatz erweitert den Einsatzbereich zu Szenarien mit stark veränderlichem Umgebungsdruck. Dafür wird der Plenumsdruck mit der Darcy-Forchheimer-Gleichung in die mittlere Fluidtemperatur in der porösen Wand umgerechnet. Diese dient als Eingangsgröße in die NISITf-Modellgleichung zur Korrelation mit der Oberflächenwärmestromdichte. Die Bestimmung der Wärmestromdichte aus der kalibrierten Modellgleichung erfolgt analog zur NISIp-Methode. Mit einem NISITf-Sensor wurden im Plasmawindkanal PWK1 Wärmestromdichten von bis 13,9MW/m2 gemessen. Mit der Cooling Adjustment for Transpiration Systems (CATS) Technologie wird die Oberflächenwärmestromdichte in Echtzeit bestimmt und entsprechend die Kühlintensität der Transpirationskühlung angepasst. Dazu werden ausschließlich nicht-intrusive Messgrößen erfordert. Die Wärmestromdichte wird direkt aus einer kalibrierten Modellgleichung bestimmt. Mit der Anwendung eines CATS-Regelsystems im PWK4 wurde erstmals die Funktionalität eines Reglers zur automatischen Anpassung der Kühlintensität der Transpirationskühlung auf die aktuell wirkende Oberflächenwärmestromdichte nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein CATS-System erfolgreich auf der HIFLIER1-Höhenforschungsrakete getestet. Das HIFLIER1-CATS-System bestimmte dieWärmestromdichte während des Hyperschallflugs und passte entsprechend den Kühlgasmassenstrom wie vorgesehen an.
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Polarisationsspektroskopie für die Untersuchung von Plasmaprozessen
(2022) Meindl, Arne; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der laserdiagnostischen Messmethode der Polarisationsspektroskopie mit dem Ziel, ihr Potential für Forschungs- und Entwicklungsanwendungen in der Plasmatechnologie zu demonstrieren. Hierfür wird ein Messaufbau für die Polarisationsspektroskopie entwickelt. Er erlaubt spektral hochauflösende Messungen im Wellenlängenbereich um 226 nm. In diesem Spektralbereich kann die Absorption von O, O2 und NO untersucht werden. Diese drei Spezies sind für verschiedene Plasmaprozesse wie die Simulation von atmosphärischen Eintrittsbedingungen in Plasmawindkanälen sowie der Erzeugung von Plasma bei atmosphärischem Druck für NOx-Syntheseprozesse oder den gezielten Abbau von klimaschädlichen Abgasen wie CO2 von Bedeutung. Der Versuchsaufbau wird anhand von Messungen des Xenon 7p[1/2]0 Zwei-Photonen Übergangs kalibriert. Mit einer speziell für die Polarisationsspektroskopie entwickelten Kaltgaszelle können systematische Untersuchungen an Xenon bei präzise kontrollierbaren Drücken vorgenommen werden. Für den Messaufbau wird eine instrumentelle Linienverbreiterung von 0,264 pm festgestellt. Erstmalig wird die druckabhängige Verbreiterung und die druckabhängige Rotverschiebung von Xenon 7p[1/2]0 gemessen. Die Druckverbreiterung beträgt 1,475 pm/bar. Die Rotverschiebung ist 1,685 pm/bar. Das linear vom Druck abhängige Verhalten dieser Eigenschaften des Xenonübergangs wird verwendet um die Modellierung der Polarisationslinienform zu verifizieren. Auf Basis der Untersuchungen an Xenon kann ein unteres Detektionslimit für die messbare Teilchendichte atomaren Sauerstoffs für den Messaufbau zu nO ≥3, 29⋅1023 m−3 bestimmt werden. Möglichkeiten die Empfindlichkeit signifikant zu erhöhen, sind die Verwendung von Polarisatoren mit einem besseren Auslöschungsvermögen sowie Laserpulsen höherer Energie. Für die Untersuchung der molekularen Spezies O2 und NO wird ein Line-by-Line Code für die Simulation von Polarisationsspektren von O2 Schumann-Runge B 3Σu− ← X 3Σg− und vier NO-Absorptionsübergängen (γ, β, δ, ϵ) entwickelt. Die Berücksichtigung der Prädissoziation und der damit verbundenen Verbreiterung der Rotationslinien ist von entscheidender Bedeutung für die korrekte Simulation der O2-Spektren. In der vorliegenden Dissertation wird O2 zum ersten mal mit der Polarisationsspektroskopie detektiert. Als Nachweis werden Messungen in reinem O2-Plasma durchgeführt. Dieses wird mit einer mikrowellengetriebenen Plasmaquelle bei Atmosphärendruck erzeugt. Eine Referenzbedingung zur Validierung des Simulationsprogramms unter der Annahme von Ttrans = Trot und Tvib = Tel wird definiert. Hierfür werden Messdaten aus der Entwicklungsphase der Plasmaquelle verwendet und der Plasmazustand wird emissionsspektroskopisch untersucht. Die simulierten Polarisationsspektren der Referenzbedingung stimmen sehr gut mit den gemessenen Spektren überein. Das Potential des Messverfahrens für die Untersuchung von Plasmaprozessen wird anhand von zwei Anwendungsfällen demonstriert. Hierfür werden Messungen im Resonator der Mikrowellenplasmaquelle bei Atmosphärendruck durchgeführt. In Luftplasma wird eine relative Teilchendichte nO2/nNO = 1500 detektiert. Der niedrige NO-Gehalt deutet darauf hin, dass die Bildung von NO vornehmlich in den Bereichen kälterer Strömung stattfindet. Messungen von O2 in CO2-Plasma zeigen, dass die Plasmabedingungen mit Trot = 2660 K und Tvib = 6115 K im thermischen Nichtgleichgewicht sind. Plasmabedingungen dieser Art begünstigen den effizienten Abbau von CO2, da Rückreaktionen nach der Dissoziation von CO2 unterbunden werden. Dies resultiert in einem erhöhten O2-Gehalt des CO2-Plasmas. Vergleichsmessungen in O2-Plasma bestätigen dies. Es wird festgestellt, dass das CO2-Plasma 2,4-mal mehr O2 enthält als in einem thermischen CO2-Plasma zu erwarten wäre. Die beiden Anwendungsfälle demonstrieren das Potential der Polarisationsspektroskopie als Instrument für die Erforschung und Entwicklung von Plasmaprozessen.
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Untersuchungen zum Einsatzpotential und zur Inkjet-Fertigung von Mischpotential-Elektrolytsystemen
(2022) Scherer, Philip; Fasoulas, Stefanos (Prof. Dr.-Ing.)