06 Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie

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Author: search.filters.author.Herdrich, GeorgStart date: 2010End date: 2019

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    ItemOpen Access
    Mars and Venus entry simulation capabilities of IRS plasma wind tunnel PWK3
    (2012) Herdrich, Georg; Marynowski, Thomas; Dropmann, Michael; Fasoulas, Stefanos
    An assessment is made for the inductively driven plasma wind tunnel PWK3 with the goal to derive relevant mass specific enthalpies for typical Mars and Venus atmospheric entry missions. For this purpose an integral method has been used which links the plasma power to the radial distribution of total pressure and fully catalytic heat flux in the plasma jet on basis of a relation from Marvin and Pope. Rebuilding the enthalpies with this relation allows for the derivation of a gas specific proportionality factor. This factor enables the derivation of the mass specific enthalpies at the centre line and the radial profiles for the respective condition are not necessarily required any more. Correspondingly a review of reference CO2 plasma conditions obtained in past investigations at IRS leads to the identification of an operational envelope in terms of the mass specific enthalpies which are from an energy consideration the prerequisite for the creation of similarities with respect to the real atmospheric entry maneuvers. The analysis shows that PWK3 is capable to cover the full range of mass specific enthalpies that are required for typical Mars and Venus atmospheric entry scenarios.
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    Electrical conductivity of the thermal dusty plasma under the conditions of a hybrid plasma environment simulation facility
    (2015) Zhukhovitskii, Dmitry I.; Petrov, Oleg F.; Hyde, Truell W.; Herdrich, Georg; Laufer, Rene; Dropmann, Michael; Matthews, Lorin S.
    We discuss the inductively heated plasma generator (IPG) facility in application to the generation of the thermal dusty plasma formed by the positively charged dust particles and the electrons emitted by them. We develop a theoretical model for the calculation of plasma electrical conductivity under typical conditions of the IPG. We show that the electrical conductivity of dusty plasma is defined by collisions with the neutral gas molecules and by the electron number density. The latter is calculated in the approximations of an ideal and strongly coupled particle system and in the regime of weak and strong screening of the particle charge. The maximum attainable electron number density and corresponding maximum plasma electrical conductivity prove to be independent of the particle emissivity. Analysis of available experiments is performed, in particular, of our recent experiment with plasma formed by the combustion products of a propane-air mixture and the CeO2 particles injected into it. A good correlation between the theory and experimental data points to the adequacy of our approach. Our main conclusion is that a level of the electrical conductivity due to the thermal ionization of the dust particles is sufficiently high to compete with that of the potassium-doped plasmas.
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    Raumfahrtrelevante Plasmen und deren anwendungsbezogene Klassifizierung
    (2012) Herdrich, Georg; Röser, Hans-Peter (Prof. Dr. rer. nat.)
    Für natürliche und technische Plasmen, deren Charakterisierung von wissenschaftlicher bzw. raumfahrttechnischer Relevanz ist, wurden zunächst die wichtigsten plasmaphysikalischen Parameter eingeführt. Darüber hinaus wurden diese Plasmen auf der Basis von Literaturen aber auch der Datenbasis am IRS eingeordnet. Zu diesem Zweck wurde aus der gängigen Darstellung von Plasmen in Te(ne) Diagrammen ein Plasmaabakus entwickelt, welcher es erlaubt Parameter wie beispielsweise die Elektronenanzahldichte ne, die Elektronentemperatur Te, die Debyelänge, die Landaulänge, die Plasmafrequenz und den Coulomblogarithmus direkt abzulesen. Anhand der aus der Literatur bekannten Energietypen lässt sich das so entstandene Diagramm in Bereiche einteilen, aus denen sich unmittelbar Randbedingungen für die Beschreibung der Plasmen ermitteln lassen (z.B. ideale Plasmen). Darüber hinaus lassen sich über den Abakus Transportkoeffizienten wie die elektrische Leitfähigkeit σ der Plasmen ableiten. Das Resultat ist ein graphisch basierter Plasmaabakus, anhand dessen sich wichtige Parameter zur Beurteilung bedeutsamer Eigenschaften der Plasmen beispielsweise für die Modellierung (z.B. Knudsenregime) sowie zur messtechnischen Erfassung (z.B. Langmuir-Sonden) ableiten lassen. Im 4. Kapitel werden die wichtigsten natürlichen Plasmen sowie die diskutierten technischen Plasmen eingehend beschrieben. Dabei ist das Augenmerk auf deren Beschreibung an sich sowie die Bereitstellung von plasmarelevanten Daten auf der Grundlage von belastbaren Referenzen des IRS und anderen Forschungsinstitutionen ausgerichtet. Die damit geschaffene Datenbasis stellt dabei für einige der technischen Plasmasysteme wie z.B. den IMAX eine erstmalige Ableitung der Plasmaeigenschaften zur Verfügung und findet Eingang in den oben genannten Plasmaabakus, was die Grundlage für die Klassifizierung dieser Plasmen liefert. Weiterhin lassen sich somit gemeinsame Bereiche der Plasmen im Diagramm identifizieren, womit eine erste Analyse einer grundlegenden Ähnlichkeit, beispielsweise bestimmter technischer Plasmen mit entsprechenden natürlichen Plasmen durchgeführt werden kann. So führt dies auf Ähnlichkeiten im Sinne der oben diskutierten Plasmaparameter zwischen den induktiv beheizten Plasmen (IPG) und der Sonnenatmosphäre. Die im weiteren Verlauf untersuchte Elektrodynamik (Maxwellgleichungen) liefert die Grundlage für einige wichtige Dimensionsanalysen, aus denen sich grundlegende Kriterien sowohl für die Modellierung der Plasmen, als auch für das bessere Verständnis, gewinnen lassen. Beispiele hierfür sind die magnetische Reynoldszahl, um eine Aussage bezüglich der Kopplung zwischen elektromagnetischen Feldern und der Plasmaströmung zu machen, und der Parameter g zur Analyse der Signifikanz des Verschiebungsstromes. Damit sind diese Parameter nicht nur zum besseren Verständnis der jeweils betrachteten Plasmen von Bedeutung, sondern dienen als zusätzliche Information zur Beurteilung zu berücksichtigender Aspekte bei der Modellierung. Diese Betrachtungen wiederum finden Eingang in die Aufstellung von Plasmabeta und Stuartzahl, mit denen die magnetische Beeinflussung von Plasmen beurteilt werden kann. Darüber hinaus wurden Pinchkonfigurationen analysiert, die Voraussetzung zur Beschreibung der zwei, im Anschluss daran diskutierten, technischen Plasmasysteme IPG und IMAX sind. Alle durchgeführten Untersuchungen finden im Rahmen der Abhandlung zwar Anwendung für alle relevanten Plasmen des Kapitel 4, darüber hinaus werden aber die beiden oben genannten Plasmasysteme genauer betrachtet. So ist die algebraische Lösung für die eigenfeldbasierte Stabilisierung der induktionsbeheizten Plasmen des IRS nach Kenntnis des Autors originär und einmalig. Weiterhin hinaus wurde diese Stabilisierung durch eine Analyse experimenteller Daten bestätigt. Für das Plasmasystem IMAX konnte durch die Analysen der Referenzplasmabedingung gezeigt werden, dass hier eher eine Plasmaverpuffung vorliegt. Dies ist inbesondere in der geringen Gasdichte, welche sich aus dem kleinen Massenbit ergibt, begründet. Als Konsequenz ergibt sich eine verhältnismäßig hohe magnetische Reynoldszahl, was mehr oder weniger bedeutet, dass die MHD-Effekte, welche mit der untersuchten Plasmaentladung einhergehen, nicht signifikant sind. Allerdings vernachlässigt die Analyse die Elektrodenabtragung, welche aufgrund der Aluminiumablagerungen auf dem eingesetzten Kalorimeter signifikant sind. Abschließend führten die diskutierten Entwicklungen zusammen mit der umfangreichen Recherche auf neue Arbeitsthemen und –Gebiete, welche teilweise schon erfolgreich auf einer institutionellen Ebene implementiert wurden. Hierzu gehören das Kapselkonzept PHOEBUS, die VUV Spektroskopie sowie die experimentelle Darstellung natürlicher Plasmen in Zusammenarbeit mit der Baylor University.