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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.