Emissionsspektroskopische Untersuchungen der Wechselwirkung eines Freistrahlplasmas mit Hitzeschutzmaterialien

Abstract

Der Transport von Menschen und Material in den Weltraum stellt eine große technologische Herausforderung dar, die in den letzten Jahrzehnten durch den zunehmenden Bedarf an Satelliten und jüngst durch den Bau und die permanente Besetzung und Versorgung der Internationalen Raumstation ISS stark an Bedeutung gewonnen hat. Einer der kritischsten Momente während einer Weltraummission ist der Wiedereintritt des Fahrzeugs in die Erdatmosphäre. Dabei tritt die höchste Belastung in einer Höhe von ca. 80 km bei einer Geschwindigkeit von ca. 27.000 km/h auf. Die Temperaturen an den am stärksten belasteten Stellen des Fahrzeugs, wie z.B. den Flügelvorderkanten oder dem Bug, können zweitausend Grad Celsius erreichen. Deshalb ist es notwendig neuartige Materialien mit sehr guten mechanischen und thermischen Eigenschaften zu entwickeln. Die erfolgreiche Entwicklung solcher Materialien hängt stark von der Kenntnis der in der Wechselwirkungszone zwischen dem entstehenden Plasma und den Hitzeschutzmaterialien auftretenden physikalischen und chemischen Prozessen ab. Durch Simulation der Belastung dieser Materialien in Plasma-Windkanälen kann man etwas über diese Prozesse lernen. Eine der vielversprechendsten nicht-invasiven Diagnostikmethoden ist die Spektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde anhand der Emissions- und Absorptionsspektroskopie die Teilchendichte von atomarem Silizium und atomarem Titan ortsaufgelöst bestimmt. Silizium ist eine Komponente des C/C-SiC Hitzescutzmaterials selbst und Titan ist eine Komponente einer am Institut für Plasmaforschung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 259 (Hochtemperaturprobleme rückkehrfähiger Raumtransportsysteme) entwickelten Hitzeschutzschicht. Des Weiteren konnte der Einfluß der Hitzeschutzschichten auf die Aktivierungsenergie des atomaren Silizium erfolgreich untersucht werden.

Transportation of men and material into space is a huge technological challenge which is gaining importance significantly because of the increasing demand of satellites and shortly the permanent manning of the International Space Station. One of the most critical situations during a mission in space is the reentry of the vehicle into the earths atmosphere. The maximum load occurs in an altitude of about 80 km at velocities of about 27.000 km/h. The temperatures in front of the mostly exposed points of the vehicle, such as the wings or the nosecap are rising up to some thousand degrees. Therefore, it is necessary to develop new materials with very good mechanical and thermal properties. The development of these materials depends strongly on the knowledge of the occuring physical and chemical processes in the interaction zone between the arising plasma and the heat shielding materials. By simulating the load on these materials in plasma wind channels it is possible to learn about these processes. One of the most promising non-intrusive diagnostic methods is spectroscopy. Within the scope of this work the emission and absorption spectroscopy was used to measure the particle densities of two different species spatially resolved, namely silicon and titanium. Silicon is a component of the heat shielding material C/C-SiC itself and titanium is a component of a protection layer which was developed at Institut für Plasmaforschung in the framework of Sonderforschungsbereich SFB 259 (High temperature problems of reentry space systems). Furthermore the influence of the protection layers on the activation energy of the silicon atoms was investigated successfully.