Aufbau, Qualifikation und Charakterisierung einer induktiv beheizten Plasmawindkanalanlage zur Simulation atmosphärischer Eintrittsmanöver

Abstract

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.

In the frame of this work the inductively driven plasma wind tunnel PWK3 of IRS has been built up in order to electrodelessly generate plasmas for the development, investigation and qualification of heat shield materials, which are required for space vehicles performing entry manouevres at the atmospheres of Venus, Earth and Mars. The facility, equipped with modularely constructed inductive plasma generators enabling the operation with gases such as carbon dioxide, air, oxygen and nitrogen has been qualified for thermal plasma powers up to 60 kW. Measurements of plasma powers, coil currents, operational frequencies, electromagnetic fields, heat fluxes on probes, Pitot pressures and Mach numbers allow the extensive characterisation of both the operational behaviour of the plasma generators and the plasma flow conditions. Newly developed models and numerical simulations, which correspond pretty well with the experimental data, enable a maximum plasma power in combination with long operational periods using different operational gases and gas mixtures by optimising the plasma container wall thickness, the number of coil turns and the number of the capacitors in the resonant circuit.