Beiträge zur Massenspektroskopie in hochenthalpen Plasmawindkanalströmungen

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde für die Plasmawindkanäle PWK2 und PWK3 des Instituts für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart ein neues massenspektrometrisches Meßsystem entwickelt, installiert und in Betrieb genommen. Das konusförmige, zweistufige Einlaßsystem hat eine geringe Verdrängungswirkung und ermöglicht daher Messungen in Generatornähe. Die trennbare Konusspitze erlaubt ein schnelles, unkompliziertes Wechseln zwischen dem Einlaßkopf für Freistrahltests und dem an die europäische Standardprobengeometrie angepaßten Materialtestkopf. Bei der Interpretation der Meßergebnisse wurden Computersimulationen mit dem Programm ARCHE des IRS für die Generatorströmung und mit dem DSMC-Verfahren von Bird für die Strömungssimulation im Versuchstank miteinbezogen. Mit ARCHE wurde erstmals eine Strömung aus reinem Sauerstoff im induktiven Plasmagenerator IPG3 simuliert. Durch umfangreiche numerische Experimente wurde herausgefunden, daß durch den starken Einfluà des Magnetfelds die Gyrationsfrequenz der Elektronen größer als ihre Stoßfrequenz wird, sodaß die elektrische Leitfähigkeit sinkt. Die hier eingeführte Modifikation der Berechnungsformel für die elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe eines Koeffizienten führt zu einer guten Übereinstimmung der numerisch berechneten Werte von Strahlleistung und Brennkammerdruck mit den experimentell ermittelten Werten. Sowohl die ARCHE-Simulation als auch eine eindimensionale Berechnung ergeben einen hohen Dissoziationsgrad. Mit dem PWK3/IPG3 ist also eine exzellente Möglichkeit zur Untersuchung von Detailaspekten der Wechselwirkung von Materialien, die Komponenten von Hitzeschutzsystemen für in die Erdatmosphäre eintretende Raumflugkörper sein können, mit einer hochenthalpen, reinen Sauerstoffströmung gegeben. Die in dieser Arbeit erstmals durchgeführten massenspektrometrischen Messungen im PWK3 ergaben allerdings deutlich kleinere Anteile dissoziierten Sauerstoffs als berechnet. Durch die DSMC-Simulation wurde gezeigt, daß dies auf die Rekombination des atomaren Sauerstoffs bei der Wechselwirkung mit den Oberflächen der Massenspektrometerbauteile zurückzuführen ist. Dieses Ergebnis läßt es nicht ratsam erscheinen, reaktive Spezies wie atomaren Sauerstoff oder Stickstoff bei PWK-Experimenten mittels Massenspektroskopie zu messen. Dies steht im Einklang mit Ergebnissen der NASA bei der Verwendung von Massenspektrometern auf Raumsonden. Bei den Experimenten im PWK2 mit dem reinen Stickstoffstrahl wurde mit dem Massenspektrometer eine starke Sauerstoffpräsenz festgestellt. Dies führte sogar zur Bildung von SiO und NO in der Stickstoffumgebung. Die numerischen Simulationen weisen eine Zumischung aus der Restluftumgebung hin, die mit steigenden Tankdruck zunimmt. Bei den Experimenten mit dem Stickstoff/Sauerstoffstrahl wurde eine inhomogene Durchmischung festgestellt. Die numerischen Simulationen sowohl mit ARCHE als auch mit DSMC zeigten, wie der im Überschallbereich der Düse eingeblasene kalte Sauerstoff auf dem in der Strahlmitte strömenden heißen Stickstoff gleitet und sich weit weg vom Düsenaustritt vermischt. Bei den Experimenten mit den Materialproben wurden einige interessante Phänomene beobachtet. Nach dem Experiment mit der Siliziumkarbid-Probe im O2-Strahl (PWK3) wurde die Bildung einer SiO-Schicht auf der Kupferoberfläche hinter dem Probenhalter festgestellt. Bei den Materialtests im PWK2 mit Graphit im Stickstoffstrahl und mit Siliziumkarbid im Stickstoff/Sauerstoffstrahl wurden CN und C2N2 detektiert.

In this work, a new mass spectroscopic system was developed in the Institute of Space Systems. It was installed and operated in the plasma wind tunnels PWK2 and PWK3. The cone-shaped, two-stage inlet system leads to a low flow displacement and, hence, enables measurements near the plama generator nozzles. The tip of the cone can be exchanged easily so that both free stream tests and material investigations with the European standard probe geometry can be performed. For the interpretation of measurement data, computer simulations were conducted for the generator flows with the code ARCHE of the Institute of Space Systems and for the tank flows with the DSMC code of Bird. For the first time, the flow of pure oxygen in the inductive plasma generator IPG3 was simulated with ARCHE. During extensive numerical experiments it was found that the strong influence of the magnetic field causes the gyration frequency of the electrons to be higher than their collisional frequency, so that the electrical conductivity decreases. With the help of a coefficient, the formula for the electrical conductivity was modified, leading to a good agreement of the numerically calculated values for plasma jet power and chamber pressure with the experimentally obtained values. Both the simulations with ARCHE and one-dimensional calculations show a high degree of dissociation. Hence, the PWK3/IPG3 gives an excellent opportunity to investigate details of the interaction of materials, which can be part of thermal protection systems ofspacecraft entering into the atmosphere of the Earth, with a high-enthalpy, pure oxygen flow. In this work, the first mass spectroscopic measurements were performed in the PWK3. However, the amount of dissociated oxygen detected was significantly lower than calculated. With the help of DSMC simulations it was shown that the reason is the recombination of atomic oxygen when interacting with the surfaces of the component parts of the mass spectrometer. This result leads to the conclusion that it is not advisable to measure reactive species like atomic oxygen or nitrogen during PWK experiments with the mass spectrometer. This is in harmony with results of NASA concerning the application of mass spectroscopy on interplanetary probes. During the experiments in the PWK2 with pure nitrogen flows, a strong presence of oxygen was found. This even lead to the formation of SiO and NO in the nitrogen environment. The numerical simulations showed evidence of mixing with remainder air in the tank, which increases with tank pressure. During the experiments with the nitrogen/oxygen flows, the gas mixture was found to be inhomogeneous. The numerical simulations with both ARCHE and DSMC showed, that the cold oxygen, which is injected in the supersonic part of the nozzle, glides on the hot nitrogen flow in the middle of the jet and mixes farther downstream from the nozzle exit. During the experiments with the material samples some interesting phenomena could be observed. After the experiment with the silicon carbide sample in the O2 flow (PWK3) the formation of an SiO layer was found on the copper surface behind the holder. In material tests in the PWK2 with graphite in the nitrogen flow and with silicon carbide in the nitrogen/oxygen flow CN and C2N2 were detected.